C++——多态总结

在博客多态&虚函数中主要对多态的一些基本概念和虚函数做了介绍，下面，我们来探究一下【虚表】。

含有虚函数的类

• 先来看看含有虚函数的类的大小吧！

class B{public:    virtual void Show()    {        cout << _b << endl;    }public:    int _b;};

一眼看过去，这个类中只有一个int类型的变量_b，那么他的大小是不是只有4个字节呢？我运行了之后发现并不是，它的大小是8个字节。运行结果我这就不看了，下面我们用内存和监视来分析一下对象b的对象模型。

可以看到，当执行完b._b = 1; 时，对象b的成员_b与对象b的地址偏移了4个字节。而这4个字节里存放的是一个地址，我们把这个地址叫做虚表指针，它指向一个存放虚函数地址的内存块。这个内存块就是虚表。

由此，我们可得到b的对象模型

有虚函数的类相比普通类多了4个字节，用来存放虚表指针。在对象模型中，类中的成员变量存放在虚表指针之后。

• 当类中有多个对象时，这些对象共用同一虚表。(可同时创建两个对象，在内存里查看其虚表指针是否相同来验证)

• 当类中有多个成员变量时，对象模型中各变量的存放顺序按其在类中的声明顺序存放。

• 当类中有多个虚函数时，虚表中各虚函数存放顺序按照其在类中的声明顺序存放。

直接来看例子吧：

class B{public:    virtual void Fun3()    {}    virtual void Fun1()    {}    virtual void Fun2()    {}public:    int _b3;    int _b1;    int _b2;};

下图是我根据监视内存画出来的b的存储结构

再来看看它的对象模型是怎样的？

• 需要注意一点
• 类的构造函数在这里起填充虚表指针的作用

下面我们来看一下继承（参见博客【继承】）体系中虚函数的结构如何？

单继承中的虚函数

• 虚函数无覆盖

class B{public:    B()        :_b(1)    {}    virtual void Fun1()    {        cout << "B::Fun1()";    }    virtual void Fun2()    {        cout << "B::Fun2()";    }    virtual void Fun3()    {        cout << "B::Fun3()";    }public:    int _b;};class D :public B{public:    D()        :_d(2)    {}    virtual void Fun4()    {        cout << "D::Fun4()";    }    virtual void Fun5()    {        cout << "D::Fun5()";    }    virtual void Fun6()    {        cout << "D::Fun6()";    }public:    int _d;};typedef void(*FUN_TEST)();void FunTest(){    B b;    cout<<sizeof(b)<<endl;    cout << "B vfptr:" << endl;    for (int iIdx = 0; iIdx < 3; ++iIdx)    {        FUN_TEST funTest = (FUN_TEST)(*((int*)*(int *)&b + iIdx)); funTest();        cout << ": " << (int *)funTest << endl;    }    cout << endl;    D d;    cout << sizeof(d) << endl;    cout << "D vfptr:" << endl;    for (int iIdx = 0; iIdx < 6; ++iIdx)    {        FUN_TEST funTest = (FUN_TEST)(*((int*)*(int *)&d + iIdx));        funTest();        cout << ": " << (int *)funTest << endl;    }}

其中FunTest()函数用于打印各对象中的函数。

先来看看结果吧

d中有两个成员变量以及一个虚表指针，所以大小为12.

可以发现，在派生类中，也完全继承了基类的虚函数，且遵循继承的存储结构。
派生类中继承的基类的虚函数地址与基类中的相同。

• 虚函数有覆盖

同样拿上面例子来说，我把派生类中的函数名Fun5改为Fun3，把Fun6改为Fun2，并且派生类中的循环次数改为4，其余保持不变。再次运行代码得到如下结果：

基类无变化，但是在派生类中，只打印了派生类的函数Fun2和Fun3.但是我的定义顺序明明是Fun3在Fun2前面的呀。怎么打印结果却是反的？这是怎么一回事呢？

当对象d被创建的时候，其虚表指针已经形成，但此时，虚表中存放的是从基类继承来的虚函数，当系统检测到派生类中已经对基类的虚函数进行重写的函数时，就拿该函数去替换虚表中基类对应的虚函数。所以虽然，Fun3定义在Fun2之前，但是替换时，系统从基类的Fun1开始，依次向下检测，当检测到Fun2被重写时，直接拿派生类中的Fun2去替换当前位置上的Fun2。如下图：

由此，可得出单继承的对象模型：

虚表的形成：

菱形继承

前面在继承中，为了解决二义性问题，我们引入了虚拟继承。在虚拟继承中，派生类中前4字节是偏移量的地址。但引入虚函数之后，我们看到虚表指针也存放于派生类的前4字节。那么，我们来看看，在菱形继承中，派生类的对象模型如何？

• 菱形继承

class B{public:    virtual void FunTest1()    {        cout << "B::FunTest1()" << endl;    }    int _b;};class C1 :public B{public:    void FunTest1()    {        cout << "C1::FunTest1()" << endl;    }    virtual void FunTest2()    {        cout << "C1::FunTest2()" << endl;    }    int _c1;};class C2 :public B{public:    virtual void FunTest1()    {        cout << "C2::FunTest1()" << endl;    }    virtual void FunTest3()    {        cout << "C2::FunTest3()" << endl;    }    int _c2;};class D :public C1, public C2{public:    virtual void FunTest1()    {        cout << "D::FunTest1()" << endl;    }    virtual void FunTest2()    {        cout << "D::FunTest2()" << endl;    }    virtual void FunTest3()    {        cout << "D::FunTest3()" << endl;    }    virtual void FunTest4()    {        cout << "D::FunTest4()" << endl;    }    int _d;};typedef void(*Fun)();void Printvpf(){    D d;    cout << sizeof(d) << endl;    d.C1::_b = 1;    d.C2::_b = 2;    d._c1 = 3;    d._c2 = 4;    d._d = 5;    C1& c1 = d;    int* vpfAddr = (int*)*(int*)&c1;    Fun* pfun = (Fun*)vpfAddr;    while (*pfun)    {        (*pfun)();        pfun = (Fun*)++vpfAddr;    }    cout << endl;    C2& c2 = d;    vpfAddr = (int*)*(int*)&c2;    pfun = (Fun*)vpfAddr;    while (*pfun)    {        (*pfun)();        pfun = (Fun*)++vpfAddr;    }}

来看看结果吧!

结果可见，系统将派生类自己的虚函数放在了其第一个基类C1后面，并且派生类中重写的虚函数覆盖了基类的虚函数。

其对象模型如下：

• 菱形虚拟继承

class B{public:    virtual void FunTest1()    {        cout << "B::FunTest1()" << endl;    }    int _b;};class C1 :virtual public B{public:    void FunTest1()    {        cout << "C1::FunTest1()" << endl;    }    virtual void FunTest2()    {        cout << "C1::FunTest2()" << endl;    }    int _c1;};class C2 :virtual public B{public:    virtual void FunTest1()    {        cout << "C2::FunTest1()" << endl;    }    virtual void FunTest3()    {        cout << "C2::FunTest3()" << endl;    }    int _c2;};class D :public C1, public C2{public:    virtual void FunTest1()    {        cout << "D::FunTest1()" << endl;    }    virtual void FunTest2()    {        cout << "D::FunTest2()" << endl;    }    virtual void FunTest3()    {        cout << "D::FunTest3()" << endl;    }    virtual void FunTest4()    {        cout << "D::FunTest4()" << endl;    }    int _d;};typedef void(*Fun)();void Printvpf(){    D d;    cout << sizeof(d) << endl;    d._b = 1;    d._c1 = 2;    d._c2 = 3;    d._d = 4;    C1& c1 = d;    int* vpfAddr = (int*)*(int*)&c1;    Fun* pfun = (Fun*)vpfAddr;    while (*pfun)    {        (*pfun)();        pfun = (Fun*)++vpfAddr;    }    cout << endl;    C2& c2 = d;    vpfAddr = (int*)*(int*)&c2;    pfun = (Fun*)vpfAddr;    while (*pfun)    {        (*pfun)();        pfun = (Fun*)++vpfAddr;    }    B& b = d;    vpfAddr = (int*)*(int*)&b;    pfun = (Fun*)vpfAddr;    while (*pfun)    {        (*pfun)();        pfun = (Fun*)++vpfAddr;    }}int main(){    Printvpf();    return 0;}

结果如图：

表示偏移量的地址紧随虚表指针之后，其次才是成员变量。各类成员存放遵循继承规则。
上图中表示偏移量的第一个数可能有人无法理解为什么几乎是一串f，其实它是负数在内存中的存储形式。

由此可得对象模型为：