C++的虚函数解析

喜欢ヅ旅行 2024-02-21 10:29 11阅读 0赞

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。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：

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：

*![3a91933fea404a9fb304346a7328e8ee.jpeg][]*

<?xml:namespace prefix = v />

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 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：

![15c15f054879406883756ff23d280ea1.jpeg][]

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：

![2fcd51de130a4642aebe93422fcc0660.jpeg][]

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。

![795d22ee830341bfb023460727e47c98.jpeg][]

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：

![2607cb16af6a468fb07f6f192e60f5f8.jpeg][]

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

![717b9ff1c39c4f39a90d91bcab5b1689.jpeg][]

对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

![f0b5878e94f742eb805c11ae185abed4.jpeg][]

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。

![6b3dcbe6663442ecaf5d09c850a308d9.jpeg][]

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

![63cde24a0be049a8a96f945fba5a57dd.jpeg][]

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no

n-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）

![29b64eaefd5f47289ad4316a55658472.jpeg][]

### **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;
    
    }

[3a91933fea404a9fb304346a7328e8ee.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/21/58d288861a7347728f3c5543b6eb82f1.png
[15c15f054879406883756ff23d280ea1.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/21/c5489d8d9481446080e9dfc9ef78e65e.png
[2fcd51de130a4642aebe93422fcc0660.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/21/d11b9d67c2c84f458b8fd929cea72084.png
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[2607cb16af6a468fb07f6f192e60f5f8.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/21/4473c8944bb045e591c1b5942f036a43.png
[717b9ff1c39c4f39a90d91bcab5b1689.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/21/0e68095668c6417882b56d0f409789aa.png
[f0b5878e94f742eb805c11ae185abed4.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/21/dc988a587f5741b9a478075b105d6e3a.png
[6b3dcbe6663442ecaf5d09c850a308d9.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/21/b185db24df5f47e4871705b539eebe16.png
[63cde24a0be049a8a96f945fba5a57dd.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/21/fa807736014e43cbbd6e24e55e54364e.png
[haoel_hotmail.com]: mailto:haoel@hotmail.com
[29b64eaefd5f47289ad4316a55658472.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/21/5bdaf28a05bf485896fa456f464b589d.png