C++虛函數(shù)表深入研究
面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言有3大特性：封裝、繼承和多態(tài)。C++是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言（與C語(yǔ)言主要區(qū)別），所以C++也擁有多態(tài)的特性。
C++中多態(tài)分為兩種：靜態(tài)多態(tài)和動(dòng)態(tài)多態(tài)。
靜態(tài)多態(tài)為編譯器在編譯期間就可以根據(jù)函數(shù)名和參數(shù)等信息確定調(diào)用某個(gè)函數(shù)。靜態(tài)多態(tài)主要體現(xiàn)為函數(shù)重載和運(yùn)算符重載。
函數(shù)重載即類中定義多個(gè)同名成員函數(shù)，函數(shù)參數(shù)類型、參數(shù)個(gè)數(shù)和返回值不完全相同，編譯器編譯后這些同名函數(shù)的函數(shù)名會(huì)不一樣，也就是說(shuō)編譯期間就確定了調(diào)用某個(gè)函數(shù)。C語(yǔ)言函數(shù)編譯后函數(shù)名就是原函數(shù)名，C++函數(shù)名為原函數(shù)名拼接函數(shù)參數(shù)等信息。
動(dòng)態(tài)多態(tài)即運(yùn)行時(shí)多態(tài)，在程序執(zhí)行期間(非編譯期)判斷所引用對(duì)象的實(shí)際類型，根據(jù)其實(shí)際類型調(diào)用相應(yīng)的方法。動(dòng)態(tài)多態(tài)由虛函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
比如
class Base{};
class A: public Base{};
class A: public Base{};
Base *base = new A; // base靜態(tài)類型為Base*，動(dòng)態(tài)類型為A*
base = new B; // base動(dòng)態(tài)類型變?yōu)锽*了
探索虛函數(shù)表結(jié)構(gòu)
之前的文件提到過(guò)，一個(gè)類占用的空間，如果有虛函數(shù)就會(huì)占用8字節(jié)的空間來(lái)存放虛函數(shù)表的地址。
虛函數(shù)表內(nèi)存空間 中依次存放著各個(gè)虛函數(shù)的指針，通過(guò)這個(gè)指針可以調(diào)用相關(guān)的虛函數(shù)。
下面通過(guò)代碼來(lái)驗(yàn)證一下上面這個(gè)內(nèi)存結(jié)構(gòu)，定義一個(gè)Base類，中間有3個(gè)方法，f1/f2/f3。
class Base {
public:
virtual void f1(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f3(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
實(shí)例化這個(gè)類后的內(nèi)存模型如下圖所示：
下面通過(guò)代碼來(lái)驗(yàn)證這個(gè)內(nèi)存模型。
int main() {
typedef void(*Fun)(); // Fun為f1 f2 f3的函數(shù)類型
std::cout << sizeof(Base)<< std::endl; // 輸出 8
Base b;
printf("b ptr = %p\n", &b); // b ptr = 0x7ffeee41ac30
long v_table_addr_value = *(long*)&b; // 取&b指針 前8字節(jié)的值，即虛函數(shù)表地址值
printf("vtable ptr = 0x%lx\n", v_table_addr_value); // vtable ptr = 0x557dae962d48
void *v_table_addr = (void*)v_table_addr_value; // 把這8字節(jié)值轉(zhuǎn)為地址，即為虛函數(shù)表指針
printf("vtable ptr = %p\n", v_table_addr); // vtable ptr = 0x557dae761cd4
long f1_addr_value = *(long*)v_table_addr; // 虛函數(shù)表前8字節(jié)為f1()函數(shù)指針值
printf("f1() ptr = 0x%lx\n", f1_addr_value); // f1() ptr = 0x557dae761cd4
Fun f1 = (Fun)f1_addr_value; // 虛函數(shù)表內(nèi)存第1個(gè)8字節(jié)值轉(zhuǎn)為函數(shù)指針
f1(); // 輸出：virtual void Base::f1()
long f2_addr_value = *(long*)((char*)v_table_addr + 8); // 虛函數(shù)表8-16字節(jié)為f2()函數(shù)指針值
printf("f2() ptr = 0x%lx\n", f2_addr_value); // f2() ptr = 0x557dae761d0c
Fun f2 = (Fun)f2_addr_value; // 虛函數(shù)表內(nèi)存第2個(gè)8字節(jié)值轉(zhuǎn)為函數(shù)指針
f2(); // 輸出：virtual void Base::f2()
long f3_addr_value = *(long*)((char*)v_table_addr + 16); // 虛函數(shù)表前16-24字節(jié)為f3()函數(shù)指針值
printf("f3() ptr = 0x%lx\n", f3_addr_value); // f3() ptr = 0x557dae761d44
Fun f3 = (Fun)f3_addr_value; // 虛函數(shù)表內(nèi)存第3個(gè)8字節(jié)值轉(zhuǎn)為函數(shù)指針
f3(); // virtual void Base::f3()
return 0;
}
通過(guò)上述代碼的輸出結(jié)果可以驗(yàn)證上圖的內(nèi)存模型。
繼承基類重寫虛函數(shù)
現(xiàn)在定義一個(gè)繼承類Derived，重寫了f1()函數(shù)，也就是覆蓋掉了Base類中的函數(shù)f1()。同時(shí)又新增了虛擬函數(shù)f4()。
class Base {
public:
virtual void f1(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f3(){
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Derived : public Base
{
public:
virtual void f1() override {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f4() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
通過(guò)上一節(jié)類似的代碼可以驗(yàn)證new Derived()其內(nèi)存模型為
由此可以得出以下結(jié)論：
- 虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。
- 父類的虛函數(shù)在子類的虛函數(shù)前面。
- 覆蓋的函數(shù)放到了虛函數(shù)表中原來(lái)父類虛函數(shù)的位置。
- 沒(méi)有被覆蓋的虛函數(shù)函數(shù)位置不變。
多基類繼承 虛函數(shù)表
繼承N個(gè)基類就有N個(gè)虛函數(shù)表，接下來(lái)使用代碼去驗(yàn)證。
有3個(gè)基類Base1，Base2, Base3，都有兩個(gè)虛函數(shù)f1()、f2()。最后Derived 類繼承這3個(gè)基類。并重寫f1()函數(shù)，新增f4()函數(shù)。
class Base1 {
public:
virtual void f1() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Base2 {
public:
virtual void f1() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Base3 {
public:
virtual void f1() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Derived : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
void f1() override {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f4() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
此時(shí)，sizeof(Derived) 等于24，可以基本確定類實(shí)例中有3個(gè)虛函數(shù)表指針。
下面通過(guò)代碼來(lái)檢查一下內(nèi)存數(shù)據(jù)。
class Base1 {
public:
virtual void f1() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Base2 {
public:
virtual void f1() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Base3 {
public:
virtual void f1() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f2() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
class Derived : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
void f1() override {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
virtual void f4() {
std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
};
根據(jù)上述代碼輸出結(jié)果，可以畫出下面內(nèi)存模型。
由此可以得出以下結(jié)論：
- 有幾個(gè)基類就有幾個(gè)虛函數(shù)表，且實(shí)例中虛函數(shù)表地址值存儲(chǔ)順序就是基類繼承順序。
- 繼承類新增的虛函數(shù)f3()排在第一個(gè)虛函數(shù)表中，且在基類虛函數(shù)后面。
- 繼承類中重寫基類的虛函數(shù)f1()，在每個(gè)虛函數(shù)表中都覆蓋相應(yīng)的虛函數(shù)、
尋找被覆蓋的虛函數(shù)
Derived 類重寫基類Base的f1()函數(shù)后，那如果想調(diào)用基類的被覆蓋的虛函數(shù)的話，就需要明確類名字調(diào)用。
Derived *d = new Derived();
d->f1(); // virtual void Derived::f1()
d->Base::f1(); // virtual void Base::f1()
內(nèi)存空間中繼承類重寫的函數(shù)存在于虛函數(shù)表中原函數(shù)的位置，那么原虛函數(shù)的位置在哪呢？
總結(jié)
本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來(lái)幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！
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此處對(duì)于指針做一些簡(jiǎn)要的介紹，作者實(shí)屬初學(xué)，寫博客也是作者學(xué)習(xí)的一個(gè)過(guò)程，難免文章中有內(nèi)容理解不到位或者有不當(dāng)之處，還請(qǐng)朋友們不吝指正，希望大家給予支持2021-11-11
