圖解C++虛函數

2016年07月02日 17:47:17?海楓?閱讀數：5181?標簽：?虛函數c++g++對象模型C++虛函數更多

個人分類：?C/C++/linux

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介紹

早在５年前寫過《從匯編層面深度剖析C++虛函數》一文，介紹C++的虛函數表和調用過程。最近在看OSv操作系統代碼，迫不得已看了C++11中的新語法，最后還是跳不出虛函數的五指山。本文盡量使用圖來解釋虛函數在類，繼承，多繼承各種場下的對象模型結構，以及虛函數實現多態綁定。

值得注意的是，不同編譯器生成的對象結構和虛函數表稍為有一些不同，本文均采用gcc 5.3.0版本下的g++編譯器作為研究對象。

普通類

object類的定義

class object {int a;int b;public:object(): a(0), b(1) {}virtual void f() {} };

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上述代碼中定義object類，定義兩個int成員，分別是a和b，然后定義了虛函數f。

object對象內存結構

下圖是定義兩個object對象o1和o2的內存結構。

所有帶虛函數類對象的首４字節為虛函數表（vtable）指針，object也是如此。object對象的第一個４字節為vtable指針，它指向object全局的虛函數表，每個類只需一個vtable表即可。o1和o2共享一個虛函數表。?
虛函數表的內容依次是:object::f(),object::g()。

接下來８個字節是意想不到的東西，那就是object類的type_info對象，這由編譯器生成的對象結構，它與C++庫中的type_info內存部局完全相同。?
g++編譯器將類的type_info對象信息放到了vtable表的尾部。

調用虛函數過程

下面圖片描述了object指針調用虛函數的過程。?

具體過程可解釋如下：

從o對象中找到它的虛函數表地址

根據g函數在虛函數表中的offset，該函數地址

根據函數地址進行調用

獲取type_info對象

C++的RTTI機制本該屬于別一個話題，不適合在虛函數中談論。但在具體實現過程中，編譯器將它和vtable合并到一起，所以還在有必要簡單討論RTTI機制。

由于type_info信息也是放到vtable里面，那可以認為typeid操作符是虛函數一部分，它在vtable也有一個offset.

下面是object對象獲取它的type_info引用的過程。

與其它虛函數調用類似，typeid返回的type_info對象就是vtable尾部的type_info對象。?
每個類只有一個type_inof對象，不能被修改，所以typeid操作符只能是返回const引用。

可以想象一下typeid(o).name()就是返回type_info對象是name成員指向的字符器串”6object”。

繼承類

父類和子類定義

下面代碼定義父類base和子類derive.

class base {int b; public:virtual void f() {}virtual void g() {} };class derive: public base {int d; public:virtual void g() {} };

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base對象和derive對象內存結構

derive子類重寫了g()函數，所以它的vtable中的第二項為derive::g()，而f()函數沒有重寫，所以第一項仍然是base::f()函數。

多態的實現

我們經常看到這樣的代碼：

base *b = new derive(); b->g();

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在b->g()調用過程中，調用的是derive::g()函數，而不是base::g()，是如何實現的呢？這其中的奧秘就是虛函數表中。詳見下圖。

b對象盡管是base*類型的，但它的地址跟new出來derive對象地址是同一個（后面多重繼承例子中就不是這樣子的了），所以在調用b->g()時，從vtable指向的虛函數中找第二項，它值為derive::g()函數的地址，所以最終調用的是derive::g()函數。

多重繼承

多重繼承是更復雜的一個場景，在多重繼承的情況下，子類指針向基類指針轉換時，它的地址是不一樣的，所以編譯必須生成一些額外代碼來做地址轉換。

多重繼承類定義

class base1 {int b1; public:virtual void f1() {}virtual void g1() {} };class base2 {int b2; public:virtual void f2() {}virtual void g2() {} };class base3 {int b3; public:virtual void f3() {}virtual void g3() {} };class derive: public base1, public base2, pbulic base3 {int d; public:virtual void f1() {}virtual void f2() {}virtual void f3() {} };

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基類的對象內存結構

下圖分別定義base1, base2, base3基類對象，不需過多解釋。

派生類的對象內存結構

從這個圖開始，我們開始要燒腦了。下圖是derive對象d的內存結構：

derive對象內存結構有以下幾個特點：

base1, base2, base3這３個基類依次排列，后面才是derive類新增的d成員

derive對象有３個虛函數表指針（請注意不是１個了，這里面大有戲法）?
3.derive對象有前８字節，也是base1基類所在坑的位置；它的vtable指針指向的虛函數表，供derive類型使用，也供base1類型使用。對于base1類型，只使用前兩項。而derive類型，則使用更多項

derive類的虛函數表中：前兩項的排列是與base1完全一樣的，而后面的derive::f2()，derive::f3()，則是dervice類重載base2/base３虛函數的總列表。

derive另外兩個虛函數表，以base2坑的虛函數表為例，它有兩項。第一項是non-virtual thunk to derive::f2()，第二項是base2::g2()。因為derive類沒有重寫g2函數，所以第二項填base2::g2()是乎合理解的。而non-virtul thunk to derive::f2()這項我們后面會解釋。

其它的-8和-16數字，估計是其它語法場景下有用，目前沒有看到，可以先跳過它們。

另外在整個derive的虛函數表中，出現兩次derive類的type_info指針，先忽略它們吧。

派生類向基類轉換的秘密

也許你知道，派生類對象轉基類對象轉換之后，這兩者的地址都是一樣的，而在多重繼承里面，這個結論就不對了。

從上面看到，派生類是將基類依次排列而成。所以派生類對象指針向第一個基類指針轉換時，兩者地址是一樣的；而第二個和第三個基類對象指針轉換時，它的地址就不一樣的。請看下圖：

派生類調用非重寫函數

以這兩行代碼為例?
derive *d = new derive();?
d->g2();

顯然，derive沒有重寫g2()函數，所以它調用的是base2類的虛函數。?
其實，不管derive是否有重寫g2函數，都是通過base2的虛函數表找出來的。具體過程如下圖所示：

由于g2函數是最早是由base2類定義的，所以d->g2()調用時，先從d對象中的base2虛函數表，查找g2偏移量（值為4）的表項，再調用。

但這里有個細節一定要注意的是，base2::g2函數的this指針是base2 *類型的，而這里的d是derive*類型的，需要先將derive?*指針轉換成base2*指針。這個轉換完成之后，指針值就增加８字節了。

多重繼承下的多態實現

這里詳細分析

base2 *b2 = new derive(); b2->f2();

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是如何實現從基類到派生類f2()函數的調用。

b2指針已指向了derive對象的base2部分，然后b2->f2()從base2-vtable對應的虛函數表的第一項，找到了non-virtual thunk to derive::f2()，然后調用。

咦，這里不應該是derive::f2()嗎，那個non-virtual thunk to derive::f2()是什么鬼？

答案是和this指針強相關。

derive::f2()函數的this指針肯定是derive*類型的，而這里的b2是base2*類型，不能直接調用。

non-virtual thunk to derive::f2()代碼其實是兩行匯編，它完成出b2指針從base*類型轉換成derive*類型的功能，也即地址減去8。

小結

其實我想只用圖表將C++虛函數全部表達出來，但當我畫出來之后，發現很多細節不用文字稍作說明，不是很難明白。

其實這里說的C++虛函數原理跟你之前了解的應該是一致的，只是很難技術細節你沒有想過而已，但不管理怎么樣，我們一起學習吧。

后繼再跟大家分析，菱形繼承和虛繼承場景下，虛函數的技術細節。

• 膽識與智慧：?博主，請問我可以轉載你的這篇文章嗎？(1個月前#2樓)查看回復(1)

• Q943381546：?看了你的文檔收獲很多，個人認為有點小缺陷。“以這兩行代碼為例 derive *d = new derive(); d->g2(); 其實，不管derive是否有重寫g2函數，都是通過base2的虛函數表找出來的。”如果是重新函數，根據c++函數查找優先級，找到的是d的g2函數，應該是用d指針直接調用g2，不會退化到父類指針。(10個月前#1樓)查看回復(1)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的图解C++虚函数 虚函数表的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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