虚函数

发表于 | 分类于 |

引入原因：为了方便使用多态特性，我们常常需要在基类中定于虚函数。

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。

虚函数表

  虚函数是通过一张虚函数表来实现的。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。
假设我们有这样的一个类：

1
2
3
4
5
6
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：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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;

//这里的一点争议的个人看法：
原文认为(int*)(&b)是虚表的地址，而很多网友都说，（包括我也认为）：(int *)*(int*)(&b)才是虚表地址
而(int*)*((int*)*(int*)(&b)); 才是虚表第一个虚函数的地址。
其实看后面的调用pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b)); 就可以看出，*((int*)*(int*)(&b));转成函数指针给pFun，然后正确的调用到了虚函数virtual void f()。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
// Invoke the first virtual function
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
pFun();
实际运行经果如下：(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)
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()

一般继承（无虚函数覆盖）

下面，让我们来看看继承时的虚函数表示什么样的。假设有如下所以的一个继承关系：

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：

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。

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。

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：

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。

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。

对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

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。

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

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。