【C++】虚函数的实现机制

一.什么是虚函数

虚函数是在类中由virtual关键字声明的成员函数,并且每一个含有虚函数的类都至少有一个与之对应的虚函数表,其中存放着该类所有虚函数对应的函数指针

在基类中进行如下定义:

virtual void show() //由于有virtual修饰所以是虚函数

void show()//虽然和前面声明的show虚函数同名,但不是虚函数

虚函数表

  • B的虚函数表中存放着B::foo和B::bar两个函数指针。
  • D的虚函数表中存放的既有继承自B的虚函数B::foo,又有重写(override)了基类虚函数B::bar的D::bar,还有新增的虚函数D::quz。

所有虚函数地址都会存放在所属类的虚函数表vtbl中,另外在基类中声明为虚函数的成员方法,达到子类是仍然是虚函数,即使子类中重新定义基类虚函数时未使用virtual修饰,该函数地址仍会放在子类的虚函数表vtbl中


二.虚函数表是如何构造和继承的?

1)基类虚函数表的构造:

首先在基类声明中找到所有虚函数,按照其声明顺序编码,然后按照此声明顺序为基类创建一个虚函数表,其内容就是指向这些虚函数的函数指针,按照虚函数声明的顺序将这些虚函数的地址填入虚函数表中,例如若show放在虚函数声明的第二位,则在虚函数表中也放第二位

2)子类虚函数表的构建和继承:

首先将基类的虚函数表复制到该子类的虚函数表指针中,若子类重写了基类的虚函数show,则将子类的虚函数表存放show的函数地址更新未重写后函数的函数指针(未重写前存放的是子类的show虚函数的函数地址),若子类增加了一些虚函数的声明,则将这些虚函数的地址加到该类虚函数表的后面

虚函数表的构造过程


三.虚函数的调用过程/虚函数表是如何访问的?

              基类     Base::virtualvoid show();              (1)

              子类     Extend::virtualvoid show();             (2)

                   Extern ext;

                   Base*pBase=&ext;

                   pBase->show();

当指向pBase->show()时,要观察show在Base基类中声明的是虚函数还是非虚函数,若为虚函数将使用动态联编(使用虚函数表决定如何调用函数),若为非虚函数则使用静态联编(根据调用指针pBase的类型来确定调用哪个类的成员函数),此处show为虚函数,首先由于检查到PBase指针类型所指的类Base中show定义为虚函数,因此找到pBase所指对象(有可能是Base类型也有可能是Extern类型),访问对象得到该对象的所属类虚函数地址表,其次,查找show在Base类中声明的位置以此找到其在show在Base类中所有虚函数声明中的位序,然后到pBase所指对象的所属类的虚函数表中访问该位序的函数指针,从而得到要执行的函数

当执行pBase->show();时首先到Base中查看show(),发现其为虚函数,然后访问pBase指向的ext对象,在对象中得到Extend类的虚函数表,在Base类声明中找到show()声明的位序0,访问Extend类的虚函数表的位置0,得到show的函数地址。注意若只有基类定义了virtual void show();而子类未重写virtual void show();即上面的函数(2),则Extend虚函数表中的位序0中存放的地址仍然是Base类中定义的virtual void show()函数,而若Extend类中重写了Base类中的virtual void show()方法,则Extend的虚函数表中位序0的函数地址将被更新为Extend中新重写的函数地址。从而调用pBase->show()时将产生多态的现象。

总结:当调用pBase->show();时,执行的步骤:

1.判断Base类中show是否为虚函数。

2.若不是虚函数则找到pBase所指向的对象所属类Base。执行Base::show()。若是虚函数则执行步骤3.

3.访问pBase所指对象的虚函数表指针得到pBase所指对象所在类的虚函数表。

4.查找Base中show()在声明时的位序为x,到步骤3得到的虚函数表中找到位序x,从而得到要执行的show的函数地址。

5.根据函数地址和Base中声明的show的函数类型(形参和返回值)访问地址所指向的函数。

无论pBase指向哪种类型的对象,只要能够确定被调函数在虚函数中的偏移值,待运行时,能够确定具体类型,并能找到相应vptr了,就能找出真正应该调用的函数。


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