C++虚函数浅探

C++中和虚函数（Virtual Function）密切相关的概念是“动态绑定”（Dynamic Binding），与之相对的概念是“静态绑定”（Static Binding）。所谓“静态绑定”，是指在编译时就能确定函数调用语句和实际执行的函数；而“动态绑定”则是——对于同一个函数调用，编译时并不能确定具体调用的函数，直到执行时才能决定。

静态绑定

继承而没有体现多态的例子：

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
	void show() { cout << "I am a Base object!
"; }
};

class Derived : public Base
{
public:
	void show() { cout << "I am a Derived object!
"; }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
	Base *pBase = new Base();
	pBase->show();
	
	pBase = new Derived();
	pBase->show();
	
	return 0;
}

这个例子将会输出：

I am a Base object!
I am a Base object!

这个例子说明，通过基类指针（或引用）调用一般的成员函数（Member Function）时（编译器）采取的都是静态绑定。

静态绑定的实现

静态绑定的实现，即一般的成员函数的实现。例如，有这样的一个类的定义：

class Simple
{
	int data;
public:
	void setData(int d) { data = d; }
	int getData() { return data; }
};

编译器会将上面的两个成员函数处理为类似下面的C代码（暂不考虑名称修饰）[1]：

// 伪代码, 说明编译器对一个成员函数定义的展开形式
void setData(Simple* this, int d)
{
	this->data = d;
}

int getData(Simple* this)
{
	return this->data;
}

（C代码？现在的编译器根本不会这么做（间接编译）！哦，只有当年的cfront才会先把C++转成C代码再编译☺）
静态绑定的实现大体如以上代码所示，即在成员函数的参数列表最前面插入一个指针（this指针），成员函数内部所有对成员变量的访问都将由此this指针寻址；这样即可实现语言层面上不同对象调用相同成员函数，访问各自的数据拷贝。

动态绑定

只需将上面静态绑定的例子上的show函数加上virtual，此时虽然Derived::show没有声明为virtual，但它也是virtual（由继承而来的virtual属性，标准就是这样规定的）。

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
	virtual void show() { cout << "I am a Base object!
"; }
};

class Derived : public Base
{
public:
	void show() { cout << "I am a Derived object!
"; }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
	Base *pBase = new Base();
	pBase->show();
	
	pBase = new Derived();
	pBase->show();
	
	return 0;
}

这样，程序将输出：

I am a Base object!
I am a Derived object!

这里的例子体现了多态性，这里pBase->show()前后两次分别执行了Base::show()和Derived::show()，而且这种选择是在执行时期决定的，而非前面例子的编译时期。
一个更激进的例子是——为了证明是在执行时期，可以让pBase所指向的对象由用户输入决定：

void testRTTI()
{
	int n = 0;
	while(cin >> n) { // 遇到EOF字符结束，Windows控制台上Ctrl+Z可输入EOF，Linux Ctrl+D
		if( n % 2 ) 
			pBase = new Base();
		else
			pBase = new Derived();
		pBase->show();
		delete pBase;
	}	
}

例如，一组输入输出（黑体是输入）：
1
I am a Base object!
2
I am a Derived object!
3
I am a Base object!

动态绑定的实现

动态绑定的实现，即virtual function的实现，《深度探索C++对象模型》（以下简称<模型>）第四章对此有详细探讨[3]。这里仅简要描述，编译器在编译时将一个类的所有Virtual Function的地址存入一个表中（Virtual Table, vtbl），并在类的数据成员中安插一个指向该表的指针（vptr）。在一个继承体系中（上例中的Base和Derived），子类继承自父类的virtual function将会被安插在与父类vtbl相同的位置。编译器在该类的构造函数（若用户没有定义，编译器将生成）中插入初始化vptr的代码（将vptr指向vtbl）；析构函数中也会有类似的行为。

根据<模型>的论述，上例Base和Derived的内存布局和其virtual table如下：

这些信息使得编译器可以将pBase->show();转化为：
pBase->_vptr[1](pBase);

在执行时就能够实现不同的函数调用了。

VC2008跟踪

以下将上述动态绑定的代码在VC2008下以Win32 Debug版本编译，并用反汇编（调试->窗口->反汇编）调试。

1.构造函数初始化vptr

先看看Base创建的代码：

	Base *pBase = new Base();
00B6152E  push        4    
00B61530  call        operator new (0B6120Dh) ; 申请内存
00B61535  add         esp,4 ; 清除压入的4
00B61538  mov         dword ptr [ebp-0E0h],eax ;  保存到栈上临时变量(暂计为ret)
00B6153E  cmp         dword ptr [ebp-0E0h],0      ; ret和0比较
00B61545  je          main+4Ah (0B6155Ah)         ; 如果ret==0 ，不执行构造函数
00B61547  mov         ecx,dword ptr [ebp-0E0h] ; ret存入 ecx（this指针）
00B6154D  call        Base::Base (0B61136h)    ; 调用Base::Base

看到了call Base::Base，继续：

00B61136  Base::Base (0B61630h)

Base::Base:
00B61630  push        ebp  
00B61631  mov         ebp,esp 
00B61633  sub         esp,0CCh       ; 栈上开辟空间（栈向下生长）
00B61639  push        ebx  
00B6163A  push        esi  
00B6163B  push        edi  
00B6163C  push        ecx  ; 最后一个push
00B6163D  lea         edi,[ebp-0CCh]       ; 
00B61643  mov         ecx,33h              ; 初始化刚开辟的空间
00B61648  mov         eax,0CCCCCCCCh       ; （Debug版 特有代码）
00B6164D  rep stos    dword ptr es:[edi]   ; /
00B6164F  pop         ecx  ; 最近一次 push的是 ecx，而这期间esp没有被修改；而上次push之前ecx也没有被修改，所以ecx还是原来的值（main写入的this指针）
00B61650  mov         dword ptr [ebp-8],ecx 
00B61653  mov         eax,dword ptr [this]    ; 取出this指针
00B61656  mov         dword ptr [eax],offset Base::`vftable' (0B67804h) ;  初始化__vptr，让它指向vftable
00B6165C  mov         eax,dword ptr [this] ; 取出this指针，写入eax
00B6165F  pop         edi  
00B61660  pop         esi  
00B61661  pop         ebx  
00B61662  mov         esp,ebp 
00B61664  pop         ebp  
00B61665  ret

可以看到 dword ptr [eax],offset Base::`vftable' (0B67804h) 就是用来设置__vptr的，因为代码中的Base，Derived没有定义其他数据成员，所以this指针所指的dword（4B）就是__vptr。

2.virtual table里保存什么？

通过VC2008的内存窗口（调试->窗口->内存）可以查看vftable的内容：

可以看到vftable的第一个成员是：0x00B61118，第二个是0（表示结束，没有后续的），它很可能是一个函数的地址，在反汇编窗口输入改地址能看到：

由此可以看到，VC2008的vftable和<模型>一书描述的并不相同，vftable第一个slot并没有存放type_info，而是直接存了Base::show；因此这里vftable只有一个slot。

3.调用virtual function的实际代码

再来看看从调用Base::Base()到pBase->show();的代码：

00B6154D  call        Base::Base (0B61136h) 
00B61552  mov         dword ptr [ebp-0E8h],eax ; eax 里存的是this指针，这相当于保存函数返回值到临时变量
00B61558  jmp         main+54h (0B61564h) 
00B6155A  mov         dword ptr [ebp-0E8h],0   ; 这行代码被忽略
00B61564  mov         eax,dword ptr [ebp-0E8h] ;
00B6156A  mov         dword ptr [pBase],eax    ; 将this保存到pBase里; 相当于 pBase = eax
	pBase->show();
00B6156D  mov         eax,dword ptr [pBase]    ; 再取出; 相当于 eax = pBase
00B61570  mov         edx,dword ptr [eax]      ; 这里很关键，Base::show()在vftable的slot 0中，所以直接取eax所指向的dword（4字节）
00B61572  mov         esi,esp 
00B61574  mov         ecx,dword ptr [pBase]    ; ecx 传入 this 指针
00B61577  mov         eax,dword ptr [edx]      ; 取出virtual function实际地址
00B61579  call        eax                      ; 调用

至此，一个完整的virtual function的执行已经梳理清楚了。

第二次，pBase = new Derived(); 后 pBase->show(); 的流程与此完全类似，这里不再罗列；唯一不同的是，Derived::Derived()里初始化__vptr的值会是offset Derived::`vftable'。

参考

[1] 潘爱民, 张丽译, Stanley B.Lippman, Josee Lajoie 著. C++ Primer 3e 中文版[M]. 北京:中国电力出版社, 2002. 521-523.

[2]王挺,周会平,贾丽丽,徐锡山著. C++ 程序设计[M]. 北京:清华大学出版社,2005.374-375.

[3]侯捷译, Stanley B.Lippman 著. 深度探索C++对象模型[M]. 北京:电子工业出版社, 2012. 152-169.