深入理解C++虚函数底层机制和RTTI运行时类型识别

当调用一个虚函数时，被执行的代码必须与调用函数对象的动态类型相一致：指向对象的指针或引用的类型是不重要的，编译器是如何高效地提供这种行为呢？大多数编译器是使用virtual table和virtual table pointers（vtbl和vptr）。

一个vtbl通常是一个函数指针数组，在程序中每个类只要声明了虚函数，它就有自己的vtbl，并且类中的vtbl的内容是指向所有该类虚函数实现体的指针，例如：

class Test1{
    virtual void A();
    virtual void B();
    virtual void C();
    virtual void D();
};

Test的虚函数表会是这样的：

如果有一个Test2继承了Test1：

class Test2:public Test1{
    virtual void C();
    virtual void D();//重定义C和D
}

Test2的虚函数表会是这样的：

这个结果表明：如果你有大量的类或者在每个类中有大量的虚函数，你会发现vtbl会yonkers大量的地址空间。

问题：每个类都只需要一个vtbl拷贝，编译器该把它放在哪里？

通常采用启发式算法：要在一个目标文件中生成一个雷的虚函数表，要求改目标文件中包含该类的第一个非内联，非纯虚的函数定义。

同事虚函数表只实现了虚拟函数的一半机制，如果只有这些事没用的，需要一个指向虚函数表的指针来建立类和表的联系，每个生命了虚函数的对象都带有它，它是一个看不见的数据成员，指向该类的虚函数表，这个看不见的数据成员被称为vptr，被编译器加载对象里，位置只有编译器知道，其内存布局可能是这样的：

但是不同的编译器放置它的位置不同，存在继承的情况下，一个对象的vptr经常被数据成员所包围，如果存在多继承，将会更加复杂。

这也就意味着，如果你的数据成员只有4个字节，那么额外的虚函数指针会使得成员数据大小扩大一倍。

考虑这段代码：

void call(Test1 *ptr)
{
    ptr->A();
}

通过指针ptr调用虚函数A，编译器在这个调用过程中生成的代码会做如下的事情：

1.通过对象的vptr找到雷的vtbl，这是一个很简单的动作，因为编译器知道在对象内哪能找到vptr（毕竟是由编译器放置的）。这个代价只是一个偏移调整（找到虚函数指针）和一个指针的间接寻址（得到vtbl）。

2.找到对应vtbl内的指向被调用函数的指针，这也是很简单的，因为编译器为每个虚函数在vtbl内分配了一个唯一的索引，这个代价只是在vtbl数组内的一个偏移。

3.调用第二步找到的指针所指向的函数。

上述的调用会变成这样：

(*ptr->vptr[i])(ptr);//ptr被当做this指针传递给函数

在实际运行中，虚函数所需要的代价和内联函数有关，实际上虚函数无法内联。因为内联是“编译期间用被调用的函数体本身来代替函数调用的指令”，但是虚函数是“知道运行时才能知道调用了哪一个函数”。

在多继承中，问题会更复杂，如果没有virtual base class，子类会包含多个虚表以及指向虚表的指针，然而，一半会引入虚基类（为了防止钻石继承），按照《深入探索C++对象模型》中的说法，这样会引入两个问题：

1.每一个对象必须针对其每一个virtual base class背负一个额外的指针，但我们却希望class object有固定的负担，不因为其virtual base class的数目而有变化。

2.由于虚继承串链的加长，导致间接存取层次增加。比如：有三层虚继承，那需要三级间接存取（经由三个virtual base class指针），但我们希望有固定的存取时间。

第一个问题一般有两种解决方法：

Microsoft编译器引入所谓的virtual base class table,每一个class object，如果有一个或者多个virtual base class，就会由编译器安插一个指针，指向virtual base class table，至于自己的virtual base class指针则会放在该表格中，比如：