C++虛函數及虛函數表簡析_C 語言

C++中的虛函數的作用主要是實現了多態的機制。關於多態，簡而言之就是用父類型別的指標指向其子類的執行個體，然後通過父類的指標調用實際子類的成員函數。這種技術可以讓父類的指標有“多種形態”，這是一種泛型技術。所謂泛型技術，說白了就是試圖使用不變的代碼來實現可變的演算法。比如：模板技術，RTTI技術，虛函數技術，要麼是試圖做到在編譯時間決議，要麼試圖做到運行時決議。
關於虛函數的使用方法，我在這裡不做過多的闡述。大家可以看看相關的C++的書籍。在這篇文章中，我只想從虛函數的實現機制上面為大家 一個清晰的剖析。
當然，相同的文章在網上也出現過一些了，但我總感覺這些文章不是很容易閱讀，大段大段的代碼，沒有圖片，沒有詳細的說明，沒有比較，沒有舉一反三。不利於學習和閱讀，所以這是我想寫下這篇文章的原因。也希望大家多給我提意見。
言歸正傳，讓我們一起進入虛函數的世界。

1.虛函數的定義
　　虛函數必須是類的非靜態成員函數(且非建構函式)，其存取權限是public（可以定義為private or proteceted, 但是對於多態來說，沒有意義。），在基類的類定義中定義虛函數的一般形式：
　　　　　　virtual 函數傳回值類型 虛函數名（形參表）
　　　　　　{ 函數體 }
     虛函數的作用是實現動態聯編，也就是在程式的運行階段動態地選擇合適的成員函數，在定義了虛函數後，可以在基類的衍生類別中對虛函數重新定義（形式也是：virtual 函數傳回值類型 虛函數名（形參表）{ 函數體 }），在衍生類別中重新定義的函數應與虛函數具有相同的形參個數和形參類型。以實現統一的介面，不同定義過程。如果在衍生類別中沒有對虛函數重新定義，則它繼承其基類的虛函數。當程式發現虛函數名前的關鍵字virtual後，會自動將其作為動態聯編處理，即在程式運行時動態地選擇合適的成員

實現動態聯編需要三個條件：
　　1、 必須把需要動態聯編的行為定義為類的公用屬性的虛函數。
　　2、 類之間存在子類型關係，一般表現為一個類從另一個類公有派生而來。
　　3、 必須先使用基類指標指向子類型的對象，然後直接或者間接使用基類指標調用虛函數。

定義虛函數的限制：
　　（1）非類的成員函數不能定義為虛函數，類的成員函數中靜態成員函數和建構函式也不能定義為虛函數，但可以將解構函式定義為虛函數。實際上，優秀的程式員常常把基類的解構函式定義為虛函數。因為，將基類的解構函式定義為虛函數後，當利用delete刪除一個指向衍生類別定義的對象指標時，系統會調用相應的類的解構函式。而不將解構函式定義為虛函數時，只調用基類的解構函式。
　　（2）只需要在聲明函數的類體中使用關鍵字“virtual”將函式宣告為虛函數，而定義函數時不需要使用關鍵字“virtual”。
　　（3）如果聲明了某個成員函數為虛函數，則在該類中不能出現和這個成員函數同名並且傳回值、參數個數、參數類型都相同的非虛函數。在以該類為基類的衍生類別中，也不能出現這種非虛的同名同傳回值同參數個數同參數類型函數。

 

為什麼虛函數必須是類的成員函數：
虛函數誕生的目的就是為了實現多態，在類外定義虛函數毫無實際用處。

 

為什麼類的靜態成員函數不能為虛函數：
如果定義為虛函數，那麼它就是動態綁定的，也就是在衍生類別中可以被覆蓋的，這與靜態成員函數的定義（：在記憶體中只有一份拷貝；通過類名或對象引用訪問靜態成員）本身就是相矛盾的。

 

為什麼建構函式不能為虛函數：
 　　因為如果建構函式為虛函數的話，它將在執行期間被構造，而執行期則需要對象已經建立，建構函式所完成的工作就是為了建立合適的對象，因此在沒有構建好的對象上不可能執行多態（虛函數的目的就在於實現多態性）的工作。在繼承體系中，構造的順序就是從基類到衍生類別，其目的就在於確保對象能夠成功地構建。建構函式同時承擔著虛函數表的建立，如果它本身都是虛函數的話，如何確保vtbl的構建成功呢？

　　注意：當基類的建構函式內部有虛函數時，會出現什麼情況呢？結果是在建構函式中，虛函數機制不起作用了，調用虛函數如同調用一般的成員函數一樣。當基類的解構函式內部有虛函數時，又如何工作呢？與建構函式相同，只有“局部”的版本被調用。但是，行為相同，原因是不一樣的。建構函式只能調用“局部”版本，是因為調用時還沒有衍生類別版本的資訊。解構函式則是因為衍生類別版本的資訊已經不可靠了。我們知道，解構函式的調用順序與建構函式相反，是從衍生類別的解構函式到基類的解構函式。當某個類的解構函式被調用時，其衍生類別的解構函式已經被調用了，相應的資料也已被丟失，如果再調用虛函數的衍生類別的版本，就相當於對一些不可靠的資料進行操作，這是非常危險的。因此，在解構函式中，虛函數機制也是不起作用的。

 2.虛函數表
　　對C++ 瞭解的人都應該知道虛函數（Virtual Function）是通過一張虛函數表（Virtual Table）來實現的。簡稱為V-Table。 在這個表中，主是要一個類的虛函數的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問題，保證其容真實反應實際的函數。這樣，在有虛函數的類的執行個體（註：抽象類別即有純虛函數的類不能被執行個體化。）中這個表被分配在了這個執行個體的記憶體中（註：一個類的虛函數表是靜態，也就是說對這個類的每個執行個體，他的虛函數表的是固定的，不會為每個執行個體產生一個相應的虛函數表。），所以，當我們用父類的指標來操作一個子類的時候，這張虛函數表就顯得由為重要了，它就像一個地圖一樣，指明了實際所應該調用的函數。

這裡我們著重看一下這張虛函數表。在C++的標準規格說明書中說到，編譯器必需要保證虛函數表的指標存在於對象執行個體中最前面的位置（這是為了保證正確取到虛函數的位移量）。 這意味著我們通過對象執行個體的地址得到這張虛函數表，然後就可以遍曆其中函數指標，並調用相應的函數。

 

假設我們有這樣的一個類：

class Base {public:virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }};

按照上面的說法，我們可以通過Base的執行個體來得到Base的虛函數表。 下面是實際常式：

{...typedef void(*Fun)(void);Base b;Fun pFun = NULL;cout << "虛函數表地址：" << (int*)(&b) << endl;cout << "虛函數表 — 第一個函數地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;// Invoke the first virtual functionpFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));pFun();...}

實際運行經果如下(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3) ：

虛函數表地址：0012FED4

虛函數表 — 第一個函數地址：0044F148

Base::f

　　通過這個樣本，我們可以看到，我們可以通過強行把&b轉成int *，取得虛函數表的地址，然後，再次取址就可以得到第一個虛函數的地址了，也就是Base::f()，這在上面的程式中得到了驗證（把int* 強制轉成了函數指標）。通過這個樣本，我們就可以知道如果要調用Base::g()和Base::h()，其代碼如下：

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()

 畫個圖解釋一下。如下所示：

 

注意：在上面這個圖中，我在虛函數表的最後多加了一個結點，這是虛函數表的結束結點，就像字串的結束符“/0”一樣，其標誌了虛函數表的結束。這個結束標誌的值在不同的編譯器下是不同的。

在WinXP+VS2003下，這個值是NULL。

而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，這個值是如果1，表示還有下一個虛函數表，如果值是0，表示是最後一個虛函數表。

 

下面，我將分別說明“無覆蓋”和“有覆蓋”時的子類虛函數表的樣子。沒有覆蓋父類的虛函數是毫無意義的。我之所以要講述沒有覆蓋的情況，主要目的是為了給一個對比。在比較之下，我們可以更加清楚地知道其內部的具體實現。

（1）、一般繼承（無虛函數覆蓋）
下面，再讓我們來看看繼承時的虛函數表是什麼樣的。假設有如下所示的一個繼承關係：

 

請注意，在這個繼承關係中，子類沒有重寫任何父類的函數。那麼，在衍生類別的執行個體的虛函數表如下所示：

對於執行個體：Derive d; 的虛函數表如下： （overload（重載） 和 override（重寫），重載就是所謂的名同而簽名不同，重寫就是對子類對虛函數的重新實現。）

 

我們可以看到下面幾點：

1）虛函數按照其聲明順序放於表中。

2）父類的虛函數在子類的虛函數前面。

 

（2）、一般繼承（有虛函數覆蓋）
覆蓋父類的虛函數是很顯然的事情，不然，虛函數就變得毫無意義。下面，我們來看一下，如果子類中有虛函數重載了父類的虛函數，會是一個什麼樣子？假設，我們有下面這樣的一個繼承關係。

 

為了讓大家看到被繼承過後的效果，在這個類的設計中，我只覆蓋了父類的一個函數：f()。那麼，對於衍生類別的執行個體的虛函數表會是下面的樣子：

 

我們從表中可以看到下面幾點，

1）覆蓋的f()函數被放到了子類虛函數表中原來父類虛函數的位置。

2）沒有被覆蓋的函數依舊。

這樣，我們就可以看到對於下面這樣的程式，

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的記憶體中的虛函數表（子類的虛函數表）的f()的位置已經被Derive::f()函數地址所取代，於是在實際調用發生時，是Derive::f()被調用了。這就實現了多態。

（3）、多重繼承（無虛函數覆蓋）
下面，再讓我們來看看多重繼承中的情況，假設有下面這樣一個類的繼承關係。注意：子類並沒有覆蓋父類的函數。

 

對於子類執行個體中的虛函數表，是下面這個樣子：

 

我們可以看到：

1） 每個父類都有自己的虛表。

2） 子類的成員函數被放到了第一個父類的表中。（所謂的第一個父類是按照聲明順序來判斷的）

這樣做就是為瞭解決不同的父類類型的指標指向同一個子類執行個體，而能夠調用到實際的函數。

（4）、多重繼承（有虛函數覆蓋）
下面我們再來看看，如果發生虛函數覆蓋的情況。

下圖中，我們在子類中覆蓋了父類的f()函數。

 

下面是對於子類執行個體中的虛函數表的圖：

 

我們可以看見，三個父類虛函數表中的f()的位置被替換成了子類的函數指標。這樣，我們就可以用任一個父類指標來指向子類，並調用子類的f()了。如：

Derive d;

Base1 *b1 = &d;

Base2 *b2 = &d;

Base3 *b3 = &d;

b1->f(); //Derive::f()

b2->f(); //Derive::f()

b3->f(); //Derive::f()

b1->g(); //Base1::g()

b2->g(); //Base2::g()

b3->g(); //Base3::g()

 

3.安全性
每次寫C++的文章，總免不了要批判一下C++。這篇文章也不例外。通過上面的講述，相信我們對虛函數表有一個比較細緻的瞭解了。水可載舟，亦可覆舟。下面，讓我們來看看我們可以用虛函數表來幹點什麼壞事吧。

嘗試1：通過父類型的指標（指向子類對象）訪問子類自己的虛函數
我們知道，子類沒有重載父類的虛函數是一件毫無意義的事情。因為多態也是要基於函數重載的。雖然在上面的圖中我們可以看到子類的虛表中有Derive自己的虛函數，但我們根本不可能使用基類的指標來調用子類的自有虛函數：

Base1 *b1 = new Derive();

b1->f1(); //編譯出錯

任何妄圖使用父類指標想調用子類中的未覆蓋父類的成員函數的行為都會被編譯器視為非法，所以，這樣的程式根本無法編譯通過。

但在運行時，我們可以通過指標的方式訪問虛函數表來達到違反C++語義的行為。

嘗試2：通過父類型的指標（指向子類對象）訪問父類的non-public虛函數
另外，如果父類的虛函數是private或是protected的，但這些非public的虛函數同樣會存在於子類虛函數表中，所以我們同樣可以使用訪問虛函數表的方式來訪問這些non-public的虛函數，這是很容易做到的。

如：

class Base {private:virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }}; class Derive : public Base{};typedef void(*Fun)(void);void main() {Derive d;Fun pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d)+0);pFun();}

4.總結

C++這門語言是一門Magic的語言，對於程式員來說，我們似乎永遠摸不清楚這門語言背著我們在幹了什麼。需要熟悉這門語言，我們就必需要瞭解C++裡面的那些東西，需要去瞭解C++中那些危險的東西。不然，這是一種搬起石頭砸自己腳的程式設計語言。

附錄一：VC中查看虛函數表
 
我們可以在VC的IDE環境中的Debug狀態下展開類的執行個體就可以看到虛函數表了（並不是很完整的）

附錄 二：常式
下面是一個關於多重繼承的虛函數表訪問的常式：

 #include <iostream>using namespace std; class Base1 {public:      virtual void f() { cout << "Base1::f" << endl; }      virtual void g() { cout << "Base1::g" << endl; }      virtual void h() { cout << "Base1::h" << endl; } }; class Base2 {public:      virtual void f() { cout << "Base2::f" << endl; }      virtual void g() { cout << "Base2::g" << endl; }      virtual void h() { cout << "Base2::h" << endl; }}; class Base3 {public:      virtual void f() { cout << "Base3::f" << endl; }      virtual void g() { cout << "Base3::g" << endl; }      virtual void h() { cout << "Base3::h" << endl; }};  class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {public:      virtual void f() { cout << "Derive::f" << endl; }      virtual void g1() { cout << "Derive::g1" << endl; }};  typedef void(*Fun)(void); int main(){      Fun pFun = NULL;       Derive d;      int** pVtab = (int**)&d;       //Base1's vtable      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+0);      pFun = (Fun)pVtab[0][0];      pFun();       //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+1);      pFun = (Fun)pVtab[0][1];      pFun();       //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+2);      pFun = (Fun)pVtab[0][2];      pFun();       //Derive's vtable      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+3);      pFun = (Fun)pVtab[0][3];      pFun();       //The tail of the vtable      pFun = (Fun)pVtab[0][4];      cout<<pFun<<endl;        //Base2's vtable      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);      pFun = (Fun)pVtab[1][0];      pFun();       //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);      pFun = (Fun)pVtab[1][1];      pFun();       pFun = (Fun)pVtab[1][2];      pFun();       //The tail of the vtable      pFun = (Fun)pVtab[1][3];      cout<<pFun<<endl;         //Base3's vtable      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);      pFun = (Fun)pVtab[2][0];      pFun();       //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);      pFun = (Fun)pVtab[2][1];      pFun();       pFun = (Fun)pVtab[2][2];      pFun();       //The tail of the vtable      pFun = (Fun)pVtab[2][3];      cout<<pFun<<endl;       return 0;}

 以上就是關於C++虛函數及虛函數表的全部解析，希望對大家的學習有所協助。