聊一聊C++虛函數(shù)表的問題
更新時間：2021年10月18日 10:00:56 作者：碼農(nóng)小明
C++是面向對象的語言（與C語言主要區(qū)別），所以C++也擁有多態(tài)的特性。下面通過代碼看下C++虛函數(shù)表的問題，感興趣的朋友一起看看吧
之前只是看過C++虛函數(shù)表相關介紹，今天有空就來寫代碼研究一下。
面向對象的編程語言有3大特性：封裝、繼承和多態(tài)。C++是面向對象的語言（與C語言主要區(qū)別），所以C++也擁有多態(tài)的特性。
C++中多態(tài)分為兩種：靜態(tài)多態(tài)和動態(tài)多態(tài)。
靜態(tài)多態(tài)為編譯器在編譯期間就可以根據(jù)函數(shù)名和參數(shù)等信息確定調用某個函數(shù)。靜態(tài)多態(tài)主要體現(xiàn)為函數(shù)重載和運算符重載。
函數(shù)重載即類中定義多個同名成員函數(shù)，函數(shù)參數(shù)類型、參數(shù)個數(shù)和返回值不完全相同，編譯器編譯后這些同名函數(shù)的函數(shù)名會不一樣，也就是說編譯期間就確定了調用某個函數(shù)。C語言函數(shù)編譯后函數(shù)名就是原函數(shù)名，C++函數(shù)名為原函數(shù)名拼接函數(shù)參數(shù)等信息。
動態(tài)多態(tài)即運行時多態(tài)，在程序執(zhí)行期間(非編譯期)判斷所引用對象的實際類型，根據(jù)其實際類型調用相應的方法。動態(tài)多態(tài)由虛函數(shù)來實現(xiàn)。
比如
class Base{};
class A: public Base{};
class A: public Base{};
Base *base = new A; // base靜態(tài)類型為Base*，動態(tài)類型為A*
base = new B; // base動態(tài)類型變?yōu)锽*了
探索虛函數(shù)表結構
之前的文件提到過，一個類占用的空間，如果有虛函數(shù)就會占用8字節(jié)的空間來存放虛函數(shù)表的地址。
虛函數(shù)表內(nèi)存空間 中依次存放著各個虛函數(shù)的指針，通過這個指針可以調用相關的虛函數(shù)。
下面通過代碼來驗證一下上面這個內(nèi)存結構，定義一個Base類，中間有3個方法，f1/f2/f3。
class Base {
public:
virtual void f1(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f3(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
實例化這個類后的內(nèi)存模型如下圖所示：
下面通過代碼來驗證這個內(nèi)存模型。
int main() {
typedef void(*Fun)(); // Fun為f1 f2 f3的函數(shù)類型
std::cout << sizeof(Base)<< std::endl; // 輸出 8
Base b;
printf("b ptr = %p\n", &b); // b ptr = 0x7ffeee41ac30
long v_table_addr_value = *(long*)&b; // 取&b指針 前8字節(jié)的值，即虛函數(shù)表地址值
printf("vtable ptr = 0x%lx\n", v_table_addr_value); // vtable ptr = 0x557dae962d48
void *v_table_addr = (void*)v_table_addr_value; // 把這8字節(jié)值轉為地址，即為虛函數(shù)表指針
printf("vtable ptr = %p\n", v_table_addr); // vtable ptr = 0x557dae761cd4
long f1_addr_value = *(long*)v_table_addr; // 虛函數(shù)表前8字節(jié)為f1()函數(shù)指針值
printf("f1() ptr = 0x%lx\n", f1_addr_value); // f1() ptr = 0x557dae761cd4
Fun f1 = (Fun)f1_addr_value; // 虛函數(shù)表內(nèi)存第1個8字節(jié)值轉為函數(shù)指針
f1(); // 輸出：virtual void Base::f1()
long f2_addr_value = *(long*)((char*)v_table_addr + 8); // 虛函數(shù)表8-16字節(jié)為f2()函數(shù)指針值
printf("f2() ptr = 0x%lx\n", f2_addr_value); // f2() ptr = 0x557dae761d0c
Fun f2 = (Fun)f2_addr_value; // 虛函數(shù)表內(nèi)存第2個8字節(jié)值轉為函數(shù)指針
f2(); // 輸出：virtual void Base::f2()
long f3_addr_value = *(long*)((char*)v_table_addr + 16); // 虛函數(shù)表前16-24字節(jié)為f3()函數(shù)指針值
printf("f3() ptr = 0x%lx\n", f3_addr_value); // f3() ptr = 0x557dae761d44
Fun f3 = (Fun)f3_addr_value; // 虛函數(shù)表內(nèi)存第3個8字節(jié)值轉為函數(shù)指針
f3(); // virtual void Base::f3()
return 0;
}
通過上述代碼的輸出結果可以驗證上圖的內(nèi)存模型。
繼承基類重寫虛函數(shù)
現(xiàn)在定義一個繼承類Derived，重寫了f1()函數(shù)，也就是覆蓋掉了Base類中的函數(shù)f1()。同時又新增了虛擬函數(shù)f4()。
class Base {
public:
virtual void f1(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f3(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Derived : public Base
{
public:
virtual void f1() override {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f4() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
通過上一節(jié)類似的代碼可以驗證new Derived()其內(nèi)存模型為
由此可以得出以下結論：
- 虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。
- 父類的虛函數(shù)在子類的虛函數(shù)前面。
- 覆蓋的函數(shù)放到了虛函數(shù)表中原來父類虛函數(shù)的位置。
- 沒有被覆蓋的虛函數(shù)函數(shù)位置不變。
繼承N個基類就有N個虛函數(shù)表，接下來使用代碼去驗證。
有3個基類Base1，Base2, Base3，都有兩個虛函數(shù)f1()、f2()。最后Derived 類繼承這3個基類。并重寫f1()函數(shù)，新增f4()函數(shù)。
class Base1 {
public:
virtual void f1() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Base2 {
public:
virtual void f1() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Base3 {
public:
virtual void f1() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Derived : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
void f1() override {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f4() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
此時，sizeof(Derived) 等于24，可以基本確定類實例中有3個虛函數(shù)表指針。
下面通過代碼來檢查一下內(nèi)存數(shù)據(jù)。
int main() {
typedef void(*Fun)();
std::cout << sizeof(Derived) << std::endl; // 24
Derived *d = new Derived();
printf("b ptr = %p\n", d); // b ptr = 0x5624201d9280
long v_table1_addr_value = *(long *) d; // 第1個虛函數(shù)表地址值
printf("vtable1 ptr = 0x%lx\n", v_table1_addr_value); // vtable1 ptr = 0x56241e42ac48
long b1f1_addr_value = *(long *) v_table1_addr_value;
printf("b1f1() ptr = 0x%lx\n", b1f1_addr_value); // b1f1() ptr = 0x56241e22a170
Fun b1f1 = (Fun) b1f1_addr_value;
b1f1(); // virtual void Derived::f1()
long b1f2_addr_value = *((long *) v_table1_addr_value + 1);
printf("b1f2() ptr = 0x%lx\n", b1f2_addr_value); // b1f2() ptr = 0x56241e22a058
Fun b1f2 = (Fun) b1f2_addr_value;
b1f2(); // virtual void Base1::f2()
long b1f3_addr_value = *((long *) v_table1_addr_value + 2);
printf("b1f3() ptr = 0x%lx\n", b1f3_addr_value); // b1f3() ptr = 0x56241e22a1b4
Fun b1f3 = (Fun) b1f3_addr_value;
b1f3(); // virtual void Derived::f3()
long v_table2_addr_value = *((long *) d + 1); // 類實例內(nèi)存第2個8字節(jié)為 第2個虛函數(shù)表地址值
printf("vtable2 ptr = 0x%lx\n", v_table2_addr_value); // vtable2 ptr = 0x56241e42ac70
long b2f1_addr_value = *(long *) v_table2_addr_value;
printf("b2f1() ptr = 0x%lx\n", b2f1_addr_value); // b2f1() ptr = 0x56241e22a1ad
Fun b2f1 = (Fun) b2f1_addr_value;
b2f1(); // virtual void Derived::f1()
long b2f2_addr_value = *((long *) v_table2_addr_value + 1);
printf("b2f2() ptr = 0x%lx\n", b2f2_addr_value); // b2f2() ptr = 0x56241e22a0c8
Fun b2f2 = (Fun) b2f2_addr_value;
b2f2(); // virtual void Base2::f2()
long b2f3_addr_value = *((long *) v_table2_addr_value + 2);
printf("b2f3() ptr = 0x%lx\n", b2f3_addr_value); // b2f3() ptr = 0xfffffffffffffff0
long v_table3_addr_value = *((long *) d + 2); // 類實例內(nèi)存第3個8字節(jié)為 第3個虛函數(shù)表地址值
printf("vtable3 ptr = 0x%lx\n", v_table3_addr_value); // vtable3 ptr = 0x56241e42ac90
long b3f1_addr_value = *(long *) v_table3_addr_value;
printf("b3f1() ptr = 0x%lx\n", b3f1_addr_value); // b3f1() ptr = 0x56241e22a1a7
Fun b3f1 = (Fun) b3f1_addr_value;
b3f1(); // virtual void Derived::f1()
long b3f2_addr_value = *((long *) v_table3_addr_value + 1);
printf("b3f2() ptr = 0x%lx\n", b3f2_addr_value); // b3f2() ptr = 0x56241e22a138
Fun b3f2 = (Fun) b3f2_addr_value;
b3f2(); // virtual void Base3::f2()
return 0;
}
根據(jù)上述代碼輸出結果，可以畫出下面內(nèi)存模型。
由此可以得出以下結論：
- 有幾個基類就有幾個虛函數(shù)表，且實例中虛函數(shù)表地址值存儲順序就是基類繼承順序。
- 繼承類新增的虛函數(shù)
f3()排在第一個虛函數(shù)表中，且在基類虛函數(shù)后面。 - 繼承類中重寫基類的虛函數(shù)
f1()，在每個虛函數(shù)表中都覆蓋相應的虛函數(shù)。
尋找被覆蓋的虛函數(shù)
Derived 類重寫基類Base的f1()函數(shù)后，那如果想調用基類的被覆蓋的虛函數(shù)的話，就需要明確類名字調用。
Derived *d = new Derived();
d->f1(); // virtual void Derived::f1()
d->Base::f1(); // virtual void Base::f1()
內(nèi)存空間中繼承類重寫的函數(shù)存在于虛函數(shù)表中原函數(shù)的位置，那么原虛函數(shù)的位置在哪呢？
到此這篇關于聊一聊C++虛函數(shù)表的問題的文章就介紹到這了,更多相關C++虛函數(shù)表內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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