【C++快速上手】八、C++虚函数的vptr与vtable学习笔记

结论

• C++的动态多态性是通过虚函数来实现的；为了实现虚函数，C ++使用一种称为虚拟表的特殊形式的后期绑定
• 每个使用虚函数的类（或者从使用虚函数的类派生）都有自己的虚拟表（vtable）
• 编译器还会添加一个隐藏指向基类的指针，我们称之为vptr
• 类指针调用函数通常使用->操作符；引用调用函数通常使用.操作符。
• 两种实例与调用函数的方法
  • 通过指针：Base *pt = new Derived();，调用时通常是：pt->fun1();这样的形式
    • 使用new创建对象是创建在堆中的，必须要程序员手动的去管理该对象的内存空间。
  • 直接实例：Base base，调用时通常是：pt.fun1();这样的形式
    • 不使用new创建对象时，对象的内存空间是在栈中的，其作用范围只是在函数内部，函数执行完成后就会调用析构函数，删除该对象。

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1、基础理论

为了实现虚函数，C ++使用一种称为虚拟表的特殊形式的后期绑定。该虚拟表是用于解决在动态/后期绑定方式的函数调用函数的查找表。虚拟表有时会使用其他名称，例如“vtable”，“虚函数表”，“虚方法表”或“调度表”。

虚拟表实际上非常简单，虽然用文字描述有点复杂。

• 首先，每个使用虚函数的类（或者从使用虚函数的类派生）都有自己的虚拟表（vtable）。该表只是编译器在编译时设置的静态数组。虚拟表包含可由类的对象调用的每个虚函数的一个条目。此表中的每个条目只是一个函数指针，指向该类可访问的派生函数。
• 其次，编译器还会添加一个隐藏指向基类的指针，我们称之为vptr。vptr在创建类实例时自动设置，以便指向该类的虚拟表。与this指针不同，this指针实际上是编译器用来解析自引用的函数参数，vptr是一个真正的指针。

因此，它使每个类对象的分配大一个指针的大小。这也意味着vptr由派生类继承，这很重要。

2、实现与内部结构

下面来看自动操纵vptr来获取地址与调用虚函数！开始看代码之前，为了方便大家理解，这里给出调用图：

#include <iostream>
#include <stdio.h>
using namespace std;

/**
 * @brief 函数指针
 */
typedef void (*Fun)();

/**
 * @brief 基类
 */
class Base
{
public:
    Base(){};
    virtual void fun1()
    {
        cout << "Base::fun1()" << endl;
    }
    virtual void fun2()
    {
        cout << "Base::fun2()" << endl;
    }
    virtual void fun3(){}
    ~Base(){};
};

/**
 * @brief 派生类
 */
class Derived: public Base
{
public:
    Derived(){};
    void fun1()
    {
        cout << "Derived::fun1()" << endl;
    }
    void fun2()
    {
        cout << "Derived::fun2()" << endl;
    }
    ~Derived(){};
};
/**
 * @brief 获取vptr地址与func地址,vptr指向的是一块内存，这块内存存放的是虚函数地址，这块内存就是我们所说的虚表
 *
 * @param obj
 * @param offset
 *
 * @return
 */
Fun getAddr(void* obj,unsigned int offset)
{
    cout<<"======================="<<endl;
    void* vptr_addr = (void *)*(unsigned long *)obj;  //64位操作系统，占8字节，通过*(unsigned long *)obj取出前8字节，即vptr指针
    printf("vptr_addr:%p\n",vptr_addr);

    /**
     * @brief 通过vptr指针访问virtual table，因为虚表中每个元素(虚函数指针)在64位编译器下是8个字节，因此通过*(unsigned long *)vptr_addr取出前8字节，
     * 后面加上偏移量就是每个函数的地址！
     */
    void* func_addr = (void *)*((unsigned long *)vptr_addr+offset);
    printf("func_addr:%p\n",func_addr);
    return (Fun)func_addr;
}
int main(void)
{
    Base ptr;
    Derived d;
    Base *pt = new Derived(); // 基类指针指向派生类实例
    Base &pp = ptr; // 基类引用指向基类实例
    Base &p = d; // 基类引用指向派生类实例
    cout<<"基类对象直接调用"<<endl;
    ptr.fun1();
    cout<<"基类对象调用基类实例"<<endl;
    pp.fun1();
    cout<<"基类指针指向派生类实例并调用虚函数"<<endl;
    pt->fun1();
    cout<<"基类引用指向派生类实例并调用虚函数"<<endl;
    p.fun1();

    // 手动查找vptr 和 vtable
    Fun f1 = getAddr(pt, 0);
    (*f1)();
    Fun f2 = getAddr(pt, 1);
    (*f2)();
    delete pt;
    return 0;
}

//输出
基类对象直接调用
Base::fun1()
基类对象调用基类实例
Base::fun1()
基类指针指向派生类实例并调用虚函数
Derived::fun1()
基类引用指向派生类实例并调用虚函数
Derived::fun1()
=======================
vptr_addr:00000000004099e0
func_addr:0000000000407e10
Derived::fun1()
=======================
vptr_addr:00000000004099e0
func_addr:0000000000000000
Derived::fun2()

待解决问题：

• 1、最后输出的时候可能不会打印Derived::fun2()，主要原因是getAddr中的(void *)*(unsigned long *)obj和(void *)*((unsigned long *)vptr_addr+offset)有问题！
  • cast to 'void *' from smaller integer type 'int'
  • warning: cast to pointer from integer of different size [-Wint-to-pointer-cast]
• 2、getAddr函数的返回值！

C++的动态多态性是通过虚函数来实现的。简单的说，通过virtual函数，指向子类的基类指针可以调用子类的函数。例如，上述通过基类指针指向派生类实例，并调用虚函数，将上述代码简化为：

Base *pt = new Derived(); // 基类指针指向派生类实例
cout<<"基类指针指向派生类实例并调用虚函数"<<endl;
pt->fun1();

其过程为：首先程序识别出fun1()是个虚函数，其次程序使用pt->vptr来获取Derived的虚拟表。第三，它查找Derived虚拟表中调用哪个版本的fun1()。这里就可以发现调用的是Derived::fun1()。因此pt->fun1()被解析为Derived::fun1()!