C++ 虚函数表剖析
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。
![](https://pic3.zhimg.com/80/v2-e864f4fe6a480b3230a5c9aebd7df996_1440w.webp)
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。
![](https://pic2.zhimg.com/80/v2-0fceb07713e411d48b4c361452129585_1440w.webp)
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。
![](https://pic3.zhimg.com/80/v2-dfe4aefdee7e06cf3151b57492ed42a2_1440w.webp)
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/cplusplu