C++ 虚函数表解析<?xml:namespace prefix = o />

 

陈皓

http://blog.csdn.net/haoel

 

 

前言

 

C++ 中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这样的技术能够让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比方：模板技术， RTTI 技术，虚函数技术，要么是试图做到在编译时决议，要么试图做到执行时决议。

 

 

关于虚函数的用法，我在这里不做过多的阐述。大家能够看看相关的 C++ 的书籍。在这篇文章中，我仅仅想从虚函数的实现机制上面为大家 一个清晰的剖析。

 

当然，同样的文章在网上也出现过一些了，但我总感觉这些文章不是非常easy阅读，大段大段的代码，没有图片，没有具体的说明，没有比較，没有举一反三。不利于学习和阅读，所以这是我想写下这篇文章的原因。也希望大家多给我提意见。

 

言归正传，让我们一起进入虚函数的世界。

 

 

虚函数表

 

对 C++ 了解的人都应该知道虚函数（ Virtual Function ）是通过一张虚函数表（ Virtual Table ）来实现的。简称为 V-Table 。在这个表中，主是要一个类的虚函数的地址表，这张表攻克了继承、覆盖的问题，保证其容真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中，所以，当我们用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得由为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。

 

这里我们着重看一下这张虚函数表。 C++ 的编译器应该是保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能——假设有多层继承或是多重继承的情况下）。 这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就能够遍历当中函数指针，并调用对应的函数。

 

听我扯了那么多，我能够感觉出来你如今可能比曾经更加晕头转向了。 没关系，以下就是实际的样例，相信聪明的你一看就明确了。

 

如果我们有这种一个类：

 

class Base {

     public :

            virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }

            virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }

            virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }

 

};

 

依照上面的说法，我们能够通过 Base 的实例来得到虚函数表。 以下是实际例程：

 

          typedef void(*Fun)(void);

 

            Base b;

 

            Fun pFun = NULL;

 

            cout << " 虚函数表地址： " << (int*)(&b) << endl;

            cout << " 虚函数表 — 第一个函数地址： " << (int*)*(int*)(&b) << endl;

 

            // Invoke the first virtual function 

            pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));

            pFun();

 

实际执行经果例如以下： (Windows XP+VS2003,  Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

 

虚函数表地址： 0012FED4

虚函数表 — 第一个函数地址： 0044F148

Base::f

 

 

通过这个演示样例，我们能够看到，我们能够通过强行把 &b 转成 int * ，取得虚函数表的地址，然后，再次取址就能够得到第一个虚函数的地址了，也就是 Base::f() ，这在上面的程序中得到了验证（把 int* 强制转成了函数指针）。通过这个演示样例，我们就能够知道假设要调用 Base::g() 和 Base::h() ，其代码例如以下：

 

            (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0);  // Base::f()

            (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1);  // Base::g()

            (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2);  // Base::h()

 

这个时候你应该懂了吧。什么？还是有点晕。也是，这种代码看着太乱了。没问题，让我画个图解释一下。例如以下所看到的：

<?xml:namespace prefix = v />

注意：在上面这个图中，我在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符“ /0 ”一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在 WinXP+VS2003 下，这个值是 NULL 。而在 Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3 下，这个值是假设 1 ，表示还有下一个虚函数表，假设值是 0 ，表示是最后一个虚函数表。

 

 

以下，我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况，主要目的是为了给一个对照。在比較之下，我们能够更加清楚地知道其内部的详细实现。

 

一般继承（无虚函数覆盖）

 

以下，再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。如果有例如以下所看到的的一个继承关系：

 

 

请注意，在这个继承关系中，子类没有重载不论什么父类的函数。那么，在派生类的实例中，其虚函数表例如以下所看到的：

 

对于实例： Derive d; 的虚函数表例如以下：

 

我们能够看到以下几点：

1） 虚函数依照其声明顺序放于表中。

2） 父类的虚函数在子类的虚函数前面。

 

我相信聪明的你一定能够參考前面的那个程序，来编写一段程序来验证。

 

 

 

一般继承（有虚函数覆盖）

 

覆盖父类的虚函数是非常显然的事情，不然，虚函数就变得毫无意义。以下，我们来看一下，如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数，会是一个什么样子？如果，我们有以下这种一个继承关系。

 

 

 

为了让大家看到被继承过后的效果，在这个类的设计中，我仅仅覆盖了父类的一个函数： f() 。那么，对于派生类的实例，其虚函数表会是以下的一个样子：

 

 

我们从表中能够看到以下几点，

1） 覆盖的 f() 函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

2） 没有被覆盖的函数依然。

 

这样，我们就能够看到对于以下这种程序，

 

            Base *b = new Derive();

 

            b->f();

 

由 b 所指的内存中的虚函数表的 f() 的位置已经被 Derive::f() 函数地址所代替，于是在实际调用发生时，是 Derive::f() 被调用了。这就实现了多态。

 

 

 

多重继承（无虚函数覆盖）

 

以下，再让我们来看看多重继承中的情况，如果有以下这样一个类的继承关系。注意：子类并没有覆盖父类的函数。

 

 

 

对于子类实例中的虚函数表，是以下这个样子：

 

我们能够看到：

1）   每一个父类都有自己的虚表。

2）   子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是依照声明顺序来推断的）

 

这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而可以调用到实际的函数。

 

 

 

 

多重继承（有虚函数覆盖）

 

以下我们再来看看，假设发生虚函数覆盖的情况。

 

下图中，我们在子类中覆盖了父类的 f() 函数。

 

 

 

以下是对于子类实例中的虚函数表的图：

 

 

我们能够看见，三个父类虚函数表中的 f() 的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就能够任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的 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()

 

 

安全性

 

每次写 C++ 的文章，总免不了要批判一下 C++ 。这篇文章也不例外。通过上面的讲述，相信我们对虚函数表有一个比較仔细的了解了。水可载舟，亦可覆舟。以下，让我们来看看我们能够用虚函数表来干点什么坏事吧。

 

一、通过父类型的指针訪问子类自己的虚函数

我们知道，子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。由于多态也是要基于函数重载的。尽管在上面的图中我们能够看到 Base1 的虚表中有 Derive 的虚函数，但我们根本不可能使用以下的语句来调用子类的自有虚函数：

 

          Base1 *b1 = new Derive();

            b1->f1();  //编译出错

 

不论什么妄图使用父类指针想调用子类中的未覆盖父类的成员函数的行为都会被编译器视为非法，所以，这种程序根本无法编译通过。但在执行时，我们能够通过指针的方式訪问虚函数表来达到违反 C++ 语义的行为。（关于这方面的尝试，通过阅读后面附录的代码，相信你能够做到这一点）

 

 

二、訪问 non-public 的虚函数

另外，假设父类的虚函数是 private 或是 protected 的，但这些非 public 的虚函数相同会存在于虚函数表中，所以，我们相同能够使用訪问虚函数表的方式来訪问这些 non-public 的虚函数，这是非常easy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();

}

 

 

结束语

C++ 这门语言是一门 Magic 的语言，对于程序猿来说，我们似乎永远摸不清楚这门语言背着我们在干了什么。须要熟悉这门语言，我们就必须要了解 C++ 里面的那些东西，须要去了解 C++ 中那些危急的东西。不然，这是一种搬起石头砸自己脚的编程语言。

 

在文章束之前还是介绍一下自己吧。我从事软件研发有十个年头了，眼下是软件开发技术主管，技术方面，主攻 Unix/C/C++ ，比較喜欢网络上的技术，比方分布式计算，网格计算， P2P ， Ajax 等一切和互联网相关的东西。管理方面比較擅长于团队建设，技术趋势分析，项目管理。欢迎大家和我交流，我的 MSN 和 Email 是： haoel@hotmail.com  

 

附录一：VC中查看虚函数表

 

我们能够在 VC 的 IDE 环境中的 Debug 状态下展开类的实例就能够看到虚函数表了（并非非常完整的）

附录 二：例程

以下是一个关于多重继承的虚函数表訪问的例程：

 

#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;

}

 

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