C++ 虚函数表剖析

CPP开发前沿 2021-11-12

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一、概述

为了实现C++的多态，C++使用了一种动态绑定的技术。这个技术的核心是虚函数表（下文简称虚表）。本文介绍虚函数表是如何实现动态绑定的。

二、类的虚表

每个包含了虚函数的类都包含一个虚表。

我们知道，当一个类（A）继承另一个类（B）时，类A会继承类B的函数的调用权。所以如果一个基类包含了虚函数，那么其继承类也可调用这些虚函数，换句话说，一个类继承了包含虚函数的基类，那么这个类也拥有自己的虚表。

我们来看以下的代码。类A包含虚函数vfunc1，vfunc2，由于类A包含虚函数，故类A拥有一个虚表。

class A {
public:    
  virtual void vfunc1();    
  virtual void vfunc2();    
  void func1();    
  void func2();
private:    
  int m_data1, m_data2;
};

类A的虚表如图1所示。

图1：类A的虚表示意图

虚表是一个指针数组，其元素是虚函数的指针，每个元素对应一个虚函数的函数指针。需要指出的是，普通的函数即非虚函数，其调用并不需要经过虚表，所以虚表的元素并不包括普通函数的函数指针。
虚表内的条目，即虚函数指针的赋值发生在编译器的编译阶段，也就是说在代码的编译阶段，虚表就可以构造出来了。

三、虚表指针

虚表是属于类的，而不是属于某个具体的对象，一个类只需要一个虚表即可。同一个类的所有对象都使用同一个虚表。

为了指定对象的虚表，对象内部包含一个虚表的指针，来指向自己所使用的虚表。为了让每个包含虚表的类的对象都拥有一个虚表指针，编译器在类中添加了一个指针，*__vptr
，用来指向虚表。这样，当类的对象在创建时便拥有了这个指针，且这个指针的值会自动被设置为指向类的虚表。

图2：对象与它的虚表

上面指出，一个继承类的基类如果包含虚函数，那个这个继承类也有拥有自己的虚表，故这个继承类的对象也包含一个虚表指针，用来指向它的虚表。

四、动态绑定

说到这里，大家一定会好奇C++是如何利用虚表和虚表指针来实现动态绑定的。我们先看下面的代码。

class A {
public:
    virtual void vfunc1();
    virtual void vfunc2();    
    void func1();    
    void func2();
private:
    int m_data1, m_data2;
};
class B : public A {
public:
    virtual void vfunc1();    
    void func1();
private:
    int m_data3;
};
class C: public B {
public:
    virtual void vfunc2();    
    void func2();
private:
    int m_data1, m_data4;
};

类A是基类，类B继承类A，类C又继承类B。类A，类B，类C，其对象模型如下图3所示。

图3：类A，类B，类C的对象模型

由于这三个类都有虚函数，故编译器为每个类都创建了一个虚表，即类A的虚表（A vtbl），类B的虚表（B vtbl），类C的虚表（C vtbl）。类A，类B，类C的对象都拥有一个虚表指针，*__vptr
，用来指向自己所属类的虚表。

类A包括两个虚函数，故A vtbl包含两个指针，分别指向A::vfunc1()
和A::vfunc2()
。

类B继承于类A，故类B可以调用类A的函数，但由于类B重写了B::vfunc1()
函数，故B vtbl的两个指针分别指向B::vfunc1()
和A::vfunc2()
。

类C继承于类B，故类C可以调用类B的函数，但由于类C重写了C::vfunc2()
函数，故C vtbl的两个指针分别指向B::vfunc1()
（指向继承的最近的一个类的函数）和C::vfunc2()
。

虽然图3看起来有点复杂，但是只要抓住“对象的虚表指针用来指向自己所属类的虚表，虚表中的指针会指向其继承的最近的一个类的虚函数”这个特点，便可以快速将这几个类的对象模型在自己的脑海中描绘出来。

非虚函数的调用不用经过虚表，故不需要虚表中的指针指向这些函数。

假设我们定义一个类B的对象bObject
。由于bObject
是类B的一个对象，故bObject
包含一个虚表指针，指向类B的虚表。

int main() 
{
    B bObject;
}

现在，我们声明一个类A的指针p来指向对象bObject
。虽然p
是基类的指针只能指向基类的部分，但是虚表指针亦属于基类部分，所以p
可以访问到对象bObject
的虚表指针。bObject
的虚表指针指向类B的虚表，所以p
可以访问到B vtbl。如图3所示。

int main() 
{    
    B bObject;
    A *p = & bObject;
}

当我们使用p
来调用vfunc1()
函数时，会发生什么现象？

int main() 
{
    B bObject;
    A *p = & bObject;
    p->vfunc1();
}

程序在执行p->vfunc1()
时，会发现p
是个指针，且调用的函数是虚函数，接下来便会进行以下的步骤。

首先，根据虚表指针p->__vptr
来访问对象bObject
对应的虚表。虽然指针p
是基类A*
类型，但是*__vptr
也是基类的一部分，所以可以通过p->__vptr
可以访问到对象对应的虚表。

然后，在虚表中查找所调用的函数对应的条目。由于虚表在编译阶段就可以构造出来了，所以可以根据所调用的函数定位到虚表中的对应条目。对于p->vfunc1()
的调用，B vtbl的第一项即是vfunc1
对应的条目。

最后，根据虚表中找到的函数指针，调用函数。从图3可以看到，B vtbl的第一项指向B::vfunc1()
，所以p->vfunc1()
实质会调用B::vfunc1()
函数。

如果p
指向类A的对象，情况又是怎么样？

int main() 
{
    A aObject;
    A *p = &aObject;
    p->vfunc1();
}

当aObject
在创建时，它的虚表指针__vptr
已设置为指向A vtbl，这样p->__vptr
就指向A vtbl。vfunc1
在A vtbl对应在条目指向了A::vfunc1()
函数，所以p->vfunc1()
实质会调用A::vfunc1()
函数。

可以把以上三个调用函数的步骤用以下表达式来表示：

(*(p->__vptr)[n])(p)

可以看到，通过使用这些虚函数表，即使使用的是基类的指针来调用函数，也可以达到正确调用运行中实际对象的虚函数。

我们把经过虚表调用虚函数的过程称为动态绑定，其表现出来的现象称为运行时多态。动态绑定区别于传统的函数调用，传统的函数调用我们称之为静态绑定，即函数的调用在编译阶段就可以确定下来了。

那么，什么时候会执行函数的动态绑定？这需要符合以下三个条件。

通过指针来调用函数
指针upcast向上转型（继承类向基类的转换称为upcast，关于什么是upcast，可以参考本文的参考资料）
调用的是虚函数

如果一个函数调用符合以上三个条件，编译器就会把该函数调用编译成动态绑定，其函数的调用过程走的是上述通过虚表的机制。

五、总结

封装，继承，多态是面向对象设计的三个特征，而多态可以说是面向对象设计的关键。C++通过虚函数表，实现了虚函数与对象的动态绑定，从而构建了C++面向对象程序设计的基石。

参考资料

《C++ Primer》第三版，中文版，潘爱民等译
http://www.learncpp.com/cpp-tutorial/125-the-virtual-table/
侯捷《C++最佳编程实践》视频，极客班，2015
Upcasting and Downcasting, http://www.bogotobogo.com/cplusplus/upcasting_downcasting.php

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