C++的虚函数的实现原理

川长思鸟来 2022-06-14 12:12 254阅读 0赞

# 前言 #

**1.如果虚函数在基类与派生类中出现，仅仅是名字相同，而形式参数不同，或者是返回类型不同，那么即使加上了virtual关键字，也是不会进行滞后联编的。 **

**2.只有类的成员函数才能说明为虚函数，因为虚函数仅适合用与有继承关系的类对象，所以普通函数不能说明为虚函数。   
  
3.静态成员函数不能是虚函数,因为静态成员函数的特点是不受限制于某个对象。   
  
4.内联(inline)函数不能是虚函数，因为内联函数不能在运行中动态确定位置。即使虚函数在类的内部定义定义，但是在编译的时候系统仍然将它看做是非内联的。   
  
5.构造函数不能是虚函数，因为构造的时候，对象还是一片位定型的空间，只有构造完成后，对象才是具体类的实例。   
  
6.析构函数可以是虚函数,而且通常声名为虚函数。**   
  
说明一下，虽然我们说使用虚函数会降低效率，但是在处理器速度越来越快的今天，将一个类中的所有成员函数都定义成为virtual总是有好处的，它除了会增加一些额外的开销是没有其它坏处的，对于保证类的封装特性是有好处的。

对于上面虚函数使用的重要规则6，我们有必要用实例说明一下，**为什么具备多态特性的类的析构函数，有必要声明为virtual**。

C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的[算法][Link 1]。比如：模板技术，RTTI技术，虚函数技术，要么是试图做到在编译时决议，要么试图做到运行时决议。

关于虚函数的使用方法，我在这里不做过多的阐述。大家可以看看相关的C++的书籍。在这篇文章中，我只想从虚函数的实现机制上面为大家一个清晰的剖析。

当然，相同的文章在网上也出现过一些了，但我总感觉这些文章不是很容易阅读，大段大段的代码，没有图片，没有详细的说明，没有比较，没有举一反三。不利于学习和阅读，所以这是我想写下这篇文章的原因。也希望大家多给我提意见。

言归正传，让我们一起进入虚函数的世界。

# 虚函数表 #

对C++ 了解的人都应该知道虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表（Virtual Table）来实现的。简称为V-Table。在这个表中，主是要一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其容真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中，所以，当我们用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得由为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。

这里我们着重看一下这张虚函数表。在C++的标准规格说明书中说到，编译器必需要保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证正确取到虚函数的偏移量）。这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。

听我扯了那么多，我可以感觉出来你现在可能比以前更加晕头转向了。没关系，下面就是实际的例子，相信聪明的你一看就明白了。

假设我们有这样的一个类：

class Base \{

public:

virtual void f() \{ cout << "Base::f" << endl; \}

virtual void g() \{ cout << "Base::g" << endl; \}

virtual void h() \{ cout << "Base::h" << endl; \}

\};

按照上面的说法，我们可以通过Base的实例来得到虚函数表。下面是实际例程：

typedef void(\*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虚函数表地址：" << (int\*)(&b) << endl;

cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int\*)\*(int\*)(&b) << endl;

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&b));

pFun();

实际运行经果如下：(Windows XP+VS2003, [Linux][] 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虚函数表地址：0012FED4

虚函数表 — 第一个函数地址：0044F148

Base::f

通过这个示例，我们可以看到，我们可以通过强行把&b转成int \*，取得虚函数表的地址，然后，再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了，也就是Base::f()，这在上面的程序中得到了验证（把int\* 强制转成了函数指针）。通过这个示例，我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()，其代码如下：

(Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&b)+0); // Base::f()

(Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&b)+1); // Base::g()

(Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&b)+2); // Base::h()

这个时候你应该懂了吧。什么？还是有点晕。也是，这样的代码看着太乱了。没问题，让我画个图解释一下。如下所示：

![o_vtable1.jpg][]

注意：在上面这个图中，我在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符“\\0”一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下，这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + [linux][Linux] 2.6.22 + GCC 4.1.3下，这个值是如果1，表示还有下一个虚函数表，如果值是0，表示是最后一个虚函数表。

下面，我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况，主要目的是为了给一个对比。在比较之下，我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。

# 一般继承（无虚函数覆盖） #

下面，再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系：

![o_Drawing3.jpg][]

请注意，在这个继承关系中，子类没有重载任何父类的函数。那么，在派生类的实例中，其虚函数表如下所示：

对于实例：Derive d; 的虚函数表如下：

![o_vtable2.JPG][]

我们可以看到下面几点：

1）虚函数按照其声明顺序放于表中。

2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。

我相信聪明的你一定可以参考前面的那个程序，来编写一段程序来验证。

# 一般继承（有虚函数覆盖） #

覆盖父类的虚函数是很显然的事情，不然，虚函数就变得毫无意义。下面，我们来看一下，如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数，会是一个什么样子？假设，我们有下面这样的一个继承关系。

![o_Drawing4.jpg][]

为了让大家看到被继承过后的效果，在这个类的设计中，我只覆盖了父类的一个函数：f()。那么，对于派生类的实例，其虚函数表会是下面的一个样子：

![o_vtable3.JPG][]

我们从表中可以看到下面几点，

1）覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

2）没有被覆盖的函数依旧。

这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，

Base \*b = new Derive();

b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

# 多重继承（无虚函数覆盖） #

下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类并没有覆盖父类的函数。

![o_Drawing1.jpg][]

对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

![o_vtable4.JPG][]

我们可以看到：

1） 每个父类都有自己的虚表。

2） 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）

这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。

# 多重继承（有虚函数覆盖） #

下面我们再来看看，如果发生虚函数覆盖的情况。

下图中，我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

![o_Drawing2.jpg][]

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

![o_vtable5.jpg][]

我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。如：

Derive d;

Base1 \*b1 = &d;

Base2 \*b2 = &d;

Base3 \*b3 = &d;

b1->f(); //Derive::f()

b2->f(); //Derive::f()

b3->f(); //Derive::f()

b1->g(); //Base1::g()

b2->g(); //Base2::g()

b3->g(); //Base3::g()

# 安全性 #

每次写C++的文章，总免不了要批判一下C++。这篇文章也不例外。通过上面的讲述，相信我们对虚函数表有一个比较细致的了解了。水可载舟，亦可覆舟。下面，让我们来看看我们可以用虚函数表来干点什么坏事吧。

**一、通过父类型的指针访问子类自己的虚函数**

我们知道，子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数，但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数：

Base1 \*b1 = new Derive();

b1->f1(); //编译出错

任何妄图使用父类指针想调用子类中的**未覆盖父类的成员函数**的行为都会被编译器视为非法，所以，这样的程序根本无法编译通过。但在运行时，我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。（关于这方面的尝试，通过阅读后面附录的代码，相信你可以做到这一点）

**二、访问non-public的虚函数**

另外，如果父类的虚函数是private或是protected的，但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中，所以，我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数，这是很容易做到的。

如：

class Base \{

private:

virtual void f() \{ cout << "Base::f" << endl; \}

\};

class Derive : public Base\{

\};

typedef void(\*Fun)(void);

void main() \{

Derive d;

Fun pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&d)+0);

pFun();

# 结束语 #

C++这门语言是一门Magic的语言，对于程序员来说，我们似乎永远摸不清楚这门语言背着我们在干了什么。需要熟悉这门语言，我们就必需要了解C++里面的那些东西，需要去了解C++中那些危险的东西。不然，这是一种搬起石头砸自己脚的编程语言。

在文章束之前还是介绍一下自己吧。我从事软件研发有十个年头了，目前是软件开发技术主管，技术方面，主攻Unix/C/C++，比较喜欢网络上的技术，比如分布式计算，网格计算，P2P，Ajax等一切和互联网相关的东西。管理方面比较擅长于团队建设，技术趋势分析，项目管理。欢迎大家和我交流，我的MSN和Email是：[haoel@hotmail.com][haoel_hotmail.com]

# 附录一：VC中查看虚函数表 #

我们可以在VC的IDE环境中的Debug状态下展开类的实例就可以看到虚函数表了（并不是很完整的）

![o_vtable_vc.JPG][]

# 附录 二：例程 #

下面是一个关于多重继承的虚函数表访问的例程：

\#include <iostream>

using namespace std;

class Base1 \{

public:

virtual void f() \{ cout << "Base1::f" << endl; \}

virtual void g() \{ cout << "Base1::g" << endl; \}

virtual void h() \{ cout << "Base1::h" << endl; \}

\};

class Base2 \{

public:

virtual void f() \{ cout << "Base2::f" << endl; \}

virtual void g() \{ cout << "Base2::g" << endl; \}

virtual void h() \{ cout << "Base2::h" << endl; \}

\};

class Base3 \{

public:

virtual void f() \{ cout << "Base3::f" << endl; \}

virtual void g() \{ cout << "Base3::g" << endl; \}

virtual void h() \{ cout << "Base3::h" << endl; \}

\};

class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 \{

public:

virtual void f() \{ cout << "Derive::f" << endl; \}

virtual void g1() \{ cout << "Derive::g1" << endl; \}

\};

typedef void(\*Fun)(void);

int main()

Fun pFun = NULL;

Derive d;

int\*\* pVtab = (int\*\*)&d;

**//Base1's vtable**

//pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)((int\*)&d+0)+0);

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[0\];

pFun();

//pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)((int\*)&d+0)+1);

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[1\];

pFun();

//pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)((int\*)&d+0)+2);

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[2\];

pFun();

//Derive's vtable

//pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)((int\*)&d+0)+3);

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[3\];

pFun();

//The tail of the vtable

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[4\];

cout<<pFun<<endl;

**//Base2's vtable**

//pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)((int\*)&d+1)+0);

pFun = (Fun)pVtab\[1\]\[0\];

pFun();

//pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)((int\*)&d+1)+1);

pFun = (Fun)pVtab\[1\]\[1\];

pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[1\]\[2\];

pFun();

//The tail of the vtable

pFun = (Fun)pVtab\[1\]\[3\];

cout<<pFun<<endl;

**//Base3's vtable**

//pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)((int\*)&d+1)+0);

pFun = (Fun)pVtab\[2\]\[0\];

pFun();

//pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)((int\*)&d+1)+1);

pFun = (Fun)pVtab\[2\]\[1\];

pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[2\]\[2\];

pFun();

//The tail of the vtable

pFun = (Fun)pVtab\[2\]\[3\];

cout<<pFun<<endl;

return 0;

[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/datastructure
[Linux]: http://lib.csdn.net/base/linux
[o_vtable1.jpg]: /images/20220614/09ed472dd5a147d49b83d0ff78ac39a4.png
[o_Drawing3.jpg]: /images/20220614/cc6d2265f5804ab48303f9670a4c6311.png
[o_vtable2.JPG]: /images/20220614/a674bb4f59094259b964174ca682cf8c.png
[o_Drawing4.jpg]: /images/20220614/c164b9bbbd7a4af093e0896f0b721db8.png
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[o_Drawing1.jpg]: /images/20220614/0c687a0e907440f8a4bc2ce0ff27e2a7.png
[o_vtable4.JPG]: /images/20220614/3472a6a2bafd44538bae28b0f8df88d1.png
[o_Drawing2.jpg]: /images/20220614/befbe93e0f5248308888f8c8e2882075.png
[o_vtable5.jpg]: /images/20220614/1ea418ae628e450ab7fd4cb3d34fbbc1.png
[haoel_hotmail.com]: mailto:haoel@hotmail.com
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