揭开C++类中虚表的“神秘面纱”

　　C++类中的虚表结构是C++对象模型中一个重要的知识点，这里咱们就来深入分析下虚表的在内存中的结构。

　　C++一个类中有虚函数的话就会有一个虚表指针，其指向对应的虚表，一般一个类只会有一个虚表，每个虚表有多个”插槽”，每个插槽存放一个虚函数的地址。插槽中的内容可以被覆盖，子类如果重写了父类中的虚函数，则插槽中对应位置的数据被覆盖。虚表存放的是虚函数地址，不管该虚函数是public还是private的。光文字说明不太形象，下面上一张虚表结构的示例图：

 

　　从图中看出，虚表指针确实是指向虚表结构的，这个虚表结构中有许多插槽，每个插槽都会指向一个虚函数。那么如何用程序来测试呢，请接着看：

#include <iostream>
#include <cstdio>

using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void test() {
        cout << "Base.text()" << endl;
    }

public:
    int a;
};

class Derived : public Base {
public:
    virtual void test() {
        cout << "Derived.test()" << endl;
    }

public:
    int b;
};

typedef void (*PFunc)();

int main() {
    Derived derived;
    PFunc   ptest;   // 函数指针

    // 输出derived及其成员a/b的地址
    printf("derived:   %p\n", &derived);
    printf("derived.a: %p\n", &(derived.a));
    printf("derived.b: %p\n", &(derived.b));

    // 提取出test虚函数地址
    int *p = (int *)*(int *)(&derived);
    ptest = (PFunc)*p;
    ptest();

    return 0;
}

输出结果：

　　注意，程序是在Centos 7 64位系统下进行测试的。程序中直接提取出test虚函数地址，然后进行调用，发现调用的确实是Derived.test函数，这也说明了虚表结构的内存布局。

 

关于虚表几个有意思的问题

虚表指针什么时候赋值的？

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
    Base() {
        cout << "Base()" << endl;
        show();
        int *p = &b;
        cout << "Base::b: " << p << endl;
        p = (int *)((char *)p - 8);
        cout << "Base::vptr: " << *p << endl;
        // Base中虚函数地址
        cout << "*Base::vptr: " << *(int *)*p << endl;
        cout << endl;
    }

    virtual void show() {
        cout << "Base::show()" << endl;
    }
public:
    int b;
};
class Derived : public Base
{
public:
    Derived()
    {
        cout << "Derived()" << endl;
        show();
        int *p = &b;
        cout << "Derived::b: " << p << endl;
        p = (int *)((char *)p - 8);
        cout << "Derived::vptr: " << *p << endl;
        // Derived中虚函数地址
        cout << "*Derived::vptr: " << *(int *)*p << endl;
        cout << endl;
    }
    virtual void show() {
        cout << "Derived::show()" << endl;
    }
private:
    int d;
};

int main(int argc, char **argv)
{
    Base base;
    Derived derived;

    return 0;
}

输出结果为：

从输出结果中可以得出，子类在构造过程中虚表指针会被赋值2次。初始化如下：

　　基类静态成员 – 子类静态成员 – (设置v_ptr/基类成员变量 ) –基类构造函数 – (设置v_ptr/子类成员变量) – 子类构造函数

 

在类的析构函数中是否对虚表指针进行赋值操作呢？

　　在子类的析构函数中，会把虚表指针设置为指向父类中的虚函数地址，这样在父类的析构函数中调用虚函数实际上调用的是父类的虚函数，不过一般不这样做。如何进行测试呢，按照上个问题的测试代码，然后稍微改动一下就可以测试了。

 

参考：

　　1、深入理解C++对象模型

　　2、《深度探索C++对象模型》