C++虚函数表学习笔记

来源：互联网发布：手机淘宝怎么看差评编辑：程序博客网时间：2024/04/30 09:55

A、基础知识

类的虚函数表是一块连续的内存，每个内存单元中记录一个JMP指令的地

注意的是，编译器会为每个有虚函数的类创建一个虚函数表，该虚函数表将被该类的所有对象共享。类的每个虚成员占据虚函数表中的一行。如果类中有n个虚函数，那么其虚函数表将有n*4字节的大小。　　

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，主要是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。　　

编译器应该是保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能——如果有多层继承或是多重继承的情况下）。这意味着可以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。

虚函数的作用是实现动态联编，也就是在程序的运行阶段动态地选择合适的成员函数，在定义了虚函数后，可以在基类的派生类中对虚函数重新定义（形式也是：

virtual 函数返回值类型虚函数名（形参表）{ 函数体 }）

在派生类中重新定义的函数应与虚函数具有相同的形参个数和形参类型。以实现统一的接口，不同定义过程。如果在派生类中没有对虚函数重新定义，则它继承其基类的虚函数。当程序发现虚函数名前的关键字virtual后，会自动将其作为动态联编处理，即在程序运行时动态地选择合适的成员函数。

　　实现动态联编需要三个条件：

　　1、必须把需要动态联编的行为定义为类的公共属性的虚函数。

　　2、类之间存在子类型关系，一般表现为一个类从另一个类公有派生而来。

　　3、必须先使用基类指针指向子类型的对象，然后直接或者间接使用基类指针调用虚函数。

　　定义虚函数的限制：

　　（1）非类的成员函数不能定义为虚函数，类的成员函数中静态成员函数和构造函数也不能定义为虚函数，但可以将析构函数定义为虚函数。实际上，优秀的程序员常常把基类的析构函数定义为虚函数。因为，将基类的析构函数定义为虚函数后，当利用delete删除一个指向派生类定义的对象指针时，系统会调用相应的类的析构函数。而不将析构函数定义为虚函数时，只调用基类的析构函数。

　　（2）只需要在声明函数的类体中使用关键字“virtual”将函数声明为虚函数，而定义函数时不需要使用关键字“virtual”。

　　（3）如果声明了某个成员函数为虚函数，则在该类中不能出现和这个成员函数同名并且返回值、参数个数、参数类型都相同的非虚函数。在以该类为基类的派生类中，也不能出现这种非虚的同名同返回值同参数个数同参数类型函数。

B、感受虚函数表的“存在”

先贴一段代码，让我们感受一下她的存在吧！（WIN7 + VS2010测试通过）

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////// VirtualTable.cpp 虚函数学习笔记（感受一下它的存在）// 编译环境：WIN7 + VS2010// by Koma 2010-08-29#include "stdafx.h"#include <iostream>using namespace std;class BaseNoVTable{public:void VirTable(){};};class BaseVirtualTable{public:virtual void VirTable(){};};int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){BaseNoVTable bs;BaseVirtualTable bvt;cout<<sizeof(bs)<<endl;cout<<sizeof(bvt)<<endl;return 0;}// end of VirtualTable.cpp//////////////////////////////////////////////////////////////////////////

运行结果如下图：

如果真想了解为什么，请仔细阅读下面的知识！（如果你熟悉汇编、指针，那么下面的就更容易理解了......）

C、深入探索C++虚函数表

一般继承（无虚函数重载）

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：

图2

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：

图3

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（有虚函数重载）

重载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。

图4

为了让大家看到被继承过后的效果，在这个类的设计中，我只重载了父类的一个函数：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：

图5

我们从表中可以看到下面几点，

1）重载的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。
2）没有被重载的函数依旧。

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（无虚函数重载）

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：子类并没有重载复类的函数。

图6

对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

图7

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（有虚函数重载）

下面我们再来看看，如果发生虚函数重载的情况。

下图中，我们重载了父类的f()函数。

图8

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

图9

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。

1、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重载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）

2、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。

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）。

图10

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 << "Driver::f" << endl; }virtual void g1() { cout << "Driver::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 vtablepFun = (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 vtablepFun = (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 vtablepFun = (Fun)pVtab[2][3];cout<<pFun<<endl;return 0;}

（参考文献：51CTO、大考吧）