關于C++虛函數工作原理的介紹

這篇文章將為大家詳細講解有關關于C++虛函數工作原理的介紹，小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

靜態綁定與動態綁定

討論靜態綁定與動態綁定，首先需要理解的是綁定，何為綁定？函數調用與函數本身的關聯，以及成員訪問與變量內存地址間的關系，稱為綁定。 理解了綁定后再理解靜態與動態。

• 靜態綁定：指在程序編譯過程中，把函數調用與響應調用所需的代碼結合的過程，稱為靜態綁定。發生在編譯期。
• 動態綁定：指在執行期間判斷所引用對象的實際類型，根據實際的類型調用其相應的方法。程序運行過程中，把函數調用與響應調用所需的代碼相結合的過程稱為動態綁定。發生于運行期。
   

C++中動態綁定

在C++中動態綁定是通過虛函數實現的，是多態實現的具體形式。而虛函數是通過虛函數表實現的。這個表中記錄了虛函數的地址，解決繼承、覆蓋的問題，保證動態綁定時能夠根據對象的實際類型調用正確的函數。這個虛函數表在什么地方呢？C++標準規格說明書中說到，編譯器必須要保證虛函數表的指針存在于對象實例中最前面的位置（這是為了保證正確取到虛函數的偏移量）。也就是說，我們可以通過對象實例的地址得到這張虛函數表，然后可以遍歷其中的函數指針，并調用相應的函數。

虛函數的工作原理

要想弄明白動態綁定，就必須弄懂虛函數的工作原理。C++中虛函數的實現一般是通過虛函數表實現的（C++規范中沒有規定具體用哪種方法，但大部分的編譯器廠商都選擇此方法）。類的虛函數表是一塊連續的內存，每個內存單元中記錄一個JMP指令的地址。編譯器會為每個有虛函數的類創建一個虛函數表，該虛函數表將被該類的所有對象共享。 類的每個虛成員占據虛函數表中的一行。如果類中有N個虛函數，那么其虛函數表將有N*4字節的大小。

虛函數（virtual）是通過虛函數表來實現的，在這個表中，主要是一個類的虛函數的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問題，保證其真實反映實際的函數。這樣，在有虛函數的類的實例中分配了指向這個表的指針的內存（位于對象實例的最前面），所以，當用父類的指針來操作一個子類的時候，這張虛函數表就顯得尤為重要，指明了實際所應調用的函數。它是如何指明的呢？后面會講到。

JMP指令是匯編語言中的無條件跳轉指令，無條件跳轉指令可轉到內存中任何程序段。轉移地址可在指令中給出，也可以在寄存器中給出，或在儲存器中指出。

首先我們定義一個帶有虛函數的基類

class Base
{
public:
	virtual void fun1(){
		cout<<"base fun1!\n";
	}
	virtual void fun2(){
		cout<<"base fun2!\n";
	}
	virtual void fun3(){
		cout<<"base fun3!\n";
	}

	int a;
};

我們可以看到在Base類的內存布局上，第一個位置上存放虛函數表指針，接下來才是Base的成員變量。另外，存在著虛函數表，該表里存放著Base類的所有virtual函數。

既然虛函數表指針通常放在對象實例的最前面的位置，那么我們應該可以通過代碼來訪問虛函數表，通過下面這段代碼加深對虛函數表的理解：

#include "stdafx.h"
#include<iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
	virtual void fun1(){
		cout<<"base fun1!\n";
	}
	virtual void fun2(){
		cout<<"base fun2!\n";
	}
	virtual void fun3(){
		cout<<"base fun3!\n";
	}

	int a;
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	typedef void(*pFunc)(void);
	Base b;
	cout<<"虛函數表指針地址："<<(int*)(&b)<<endl;

	//對象最前面是指向虛函數表的指針，虛函數表中存放的是虛函數的地址
	pFunc pfun;
	pfun=(pFunc)*((int*)(*(int*)(&b))); //這里存放的都是地址，所以才一層又一層的指針
	pfun();
	pfun=(pFunc)*((int*)(*(int*)(&b))+1);
	pfun();
	pfun=(pFunc)*((int*)(*(int*)(&b))+2);
	pfun();

	system("pause");
	return 0;
}

運行結果：

通過這個例子，對虛函數表指針，虛函數表這些有了足夠的理解。下面再深入一些。C++又是如何利用基類指針和虛函數來實現多態的呢？這里，我們就需要弄明白在繼承環境下虛函數表是如何工作的。目前只理解單繼承，至于虛繼承，多重繼承待以后再理解。

單繼承代碼如下：

class Base
{
public:
	virtual void fun1(){
		cout<<"base fun1!\n";
	}
	virtual void fun2(){
		cout<<"base fun2!\n";
	}
	virtual void fun3(){
		cout<<"base fun3!\n";
	}

	int a;
};

class Child:public Base
{
public:
	void fun1(){
		cout<<"Child fun1\n";
	}
	void fun2(){
		cout<<"Child fun2\n";
	}
	virtual void fun4(){
		cout<<"Child fun4\n";
	}
};

內存布局對比：

通過對比，我們可以看到：

• 在單繼承中，Child類覆蓋了Base類中的同名虛函數，在虛函數表中體現為對應位置被Child類中的新函數替換，而沒有被覆蓋的函數則沒有發生變化。
• 對于子類自己的虛函數，直接添加到虛函數表后面。
   

另外，我們注意到，類Child和類Base中都只有一個vfptr指針，前面我們說過，該指針指向虛函數表，我們分別輸出類Child和類Base的vfptr:

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	typedef void(*pFunc)(void);
	Base b;
	Child c;
	cout<<"Base類的虛函數表指針地址："<<(int*)(&b)<<endl;
	cout<<"Child類的虛函數表指針地址："<<(int*)(&c)<<endl;

	system("pause");
	return 0;
}

運行結果：

可以看到，類Child和類Base分別擁有自己的虛函數表指針vfptr和虛函數表vftable。

下面這段代碼，說明了父類和基類擁有不同的虛函數表，同一個類擁有相同的虛函數表，同一個類的不同對象的地址（存放虛函數表指針的地址）不同。

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	Base b;
	Child c1,c2;
	cout<<"Base類的虛函數表的地址："<<(int*)(*(int*)(&b))<<endl;
	cout<<"Child類c1的虛函數表的地址："<<(int*)(*(int*)(&c1))<<endl;	//虛函數表指針指向的地址值
	cout<<"Child類c2的虛函數表的地址："<<(int*)(*(int*)(&c2))<<endl;

	system("pause");
	return 0;
}

在定義該派生類對象時，先調用其基類的構造函數，然后再初始化vfptr，最后再調用派生類的構造函數（ 從二進制的視野來看，所謂基類子類是一個大結構體，其中this指針開頭的四個字節存放虛函數表頭指針。執行子類的構造函數的時候，首先調用基類構造函數，this指針作為參數，在基類構造函數中填入基類的vfptr，然后回到子類的構造函數，填入子類的vfptr，覆蓋基類填入的vfptr。如此以來完成vfptr的初始化)。也就是說，vfptr指向vftable發生在構造函數期間完成的。

動態綁定例子：

#include "stdafx.h"
#include<iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
	virtual void fun1(){
		cout<<"base fun1!\n";
	}
	virtual void fun2(){
		cout<<"base fun2!\n";
	}
	virtual void fun3(){
		cout<<"base fun3!\n";
	}

	int a;
};

class Child:public Base
{
public:
	void fun1(){
		cout<<"Child fun1\n";
	}
	void fun2(){
		cout<<"Child fun2\n";
	}
	virtual void fun4(){
		cout<<"Child fun4\n";
	}
};


int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	Base* p=new Child;
	p->fun1();
	p->fun2();
	p->fun3();

	system("pause");
	return 0;
}

運行結果：

結合上面的內存布局：

其實，在new Child時構造了一個子類的對象，子類對象按上面所講，在構造函數期間完成虛函數表指針vfptr指向Child類的虛函數表，將這個對象的地址賦值給了Base類型的指針p，當調用p->fun1()時，發現是虛函數，調用虛函數指針查找虛函數表中對應虛函數的地址，這里就是&Child::fun1。調用p->fun2()情況相同。調用p->fun3()時，子類并沒有重寫父類虛函數，但依舊通過調用虛函數指針查找虛函數表，發現對應函數地址是&Base::fun3。所以上面的運行結果如上圖所示。

到這里，你是否已經明白為什么指向子類實例的基類指針可以調用子類（虛）函數？每一個實例對象中都存在一個vfptr指針，編譯器會先取出vfptr的值，這個值就是虛函數表vftable的地址，再根據這個值來到vftable中調用目標函數。所以，只要vfptr不同，指向的虛函數表vftable就不同，而不同的虛函數表中存放著對應類的虛函數地址，這樣就實現了多態的”效果“。

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