C++ 虚函数表剖析

一、概述

为了实现C++的多态,C++使用了一种动态绑定的技术。这个技术的核心是虚函数表(下文简称虚表)。本文介绍虚函数表是如何实现动态绑定的。

二、类的虚表

每个包含了虚函数的类都包含一个虚表。

我们知道,当一个类(A)继承另一个类(B)时,类A会继承类B的函数的调用权。所以如果一个基类包含了虚函数,那么其继承类也可调用这些虚函数,换句话说,一个类继承了包含虚函数的基类,那么这个类也拥有自己的虚表。

我们来看以下的代码。类A包含虚函数vfunc1,vfunc2,由于类A包含虚函数,故类A拥有一个虚表。

class A {
public:
    virtual void vfunc1();
    virtual void vfunc2();
    void func1();
    void func2();
private:
    int m_data1, m_data2;
};

类A的虚表如图1所示。

 图1:类A的虚表示意图

虚表是一个指针数组,其元素是虚函数的指针,每个元素对应一个虚函数的函数指针。需要指出的是,普通的函数即非虚函数,其调用并不需要经过虚表,所以虚表的元素并不包括普通函数的函数指针。
虚表内的条目,即虚函数指针的赋值发生在编译器的编译阶段,也就是说在代码的编译阶段,虚表就可以构造出来了。

三、虚表指针

虚表是属于类的,而不是属于某个具体的对象,一个类只需要一个虚表即可。同一个类的所有对象都使用同一个虚表。

为了指定对象的虚表,对象内部包含一个虚表的指针,来指向自己所使用的虚表。为了让每个包含虚表的类的对象都拥有一个虚表指针,编译器在类中添加了一个指针,*__vptr,用来指向虚表。这样,当类的对象在创建时便拥有了这个指针,且这个指针的值会自动被设置为指向类的虚表。

 图2:对象与它的虚表

上面指出,一个继承类的基类如果包含虚函数,那个这个继承类也有拥有自己的虚表,故这个继承类的对象也包含一个虚表指针,用来指向它的虚表。

四、动态绑定

说到这里,大家一定会好奇C++是如何利用虚表和虚表指针来实现动态绑定的。我们先看下面的代码。

class A {
public:
    virtual void vfunc1();
    virtual void vfunc2();
    void func1();
    void func2();
private:
    int m_data1, m_data2;
};
class B : public A {
public:
    virtual void vfunc1();
    void func1();
private:
    int m_data3;
};
class C: public B {
public:
    virtual void vfunc2();
    void func2();
private:
    int m_data1, m_data4;
};

类A是基类,类B继承类A,类C又继承类B。类A,类B,类C,其对象模型如下图3所示。

 图3:类A,类B,类C的对象模型

由于这三个类都有虚函数,故编译器为每个类都创建了一个虚表,即类A的虚表(A vtbl),类B的虚表(B vtbl),类C的虚表(C vtbl)。类A,类B,类C的对象都拥有一个虚表指针,*__vptr,用来指向自己所属类的虚表。

类A包括两个虚函数,故A vtbl包含两个指针,分别指向A::vfunc1()A::vfunc2()

类B继承于类A,故类B可以调用类A的函数,但由于类B重写了B::vfunc1()函数,故B vtbl的两个指针分别指向B::vfunc1()A::vfunc2()

类C继承于类B,故类C可以调用类B的函数,但由于类C重写了C::vfunc2()函数,故C vtbl的两个指针分别指向B::vfunc1()(指向继承的最近的一个类的函数)和C::vfunc2()

虽然图3看起来有点复杂,但是只要抓住“对象的虚表指针用来指向自己所属类的虚表,虚表中的指针会指向其继承的最近的一个类的虚函数”这个特点,便可以快速将这几个类的对象模型在自己的脑海中描绘出来。

非虚函数的调用不用经过虚表,故不需要虚表中的指针指向这些函数。

假设我们定义一个类B的对象bObject。由于bObject是类B的一个对象,故bObject包含一个虚表指针,指向类B的虚表。

int main() 
{
    B bObject;
}

现在,我们声明一个类A的指针p来指向对象bObject。虽然p是基类的指针只能指向基类的部分,但是虚表指针亦属于基类部分,所以p可以访问到对象bObject的虚表指针。bObject的虚表指针指向类B的虚表,所以p可以访问到B vtbl。如图3所示。

int main() 
{
    B bObject;
    A *p = & bObject;
}

当我们使用p来调用vfunc1()函数时,会发生什么现象?

int main() 
{
    B bObject;
    A *p = & bObject;
    p->vfunc1();
}

程序在执行p->vfunc1()时,会发现p是个指针,且调用的函数是虚函数,接下来便会进行以下的步骤。

首先,根据虚表指针p->__vptr来访问对象bObject对应的虚表。虽然指针p是基类A*类型,但是*__vptr也是基类的一部分,所以可以通过p->__vptr可以访问到对象对应的虚表。

然后,在虚表中查找所调用的函数对应的条目。由于虚表在编译阶段就可以构造出来了,所以可以根据所调用的函数定位到虚表中的对应条目。对于p->vfunc1()的调用,B vtbl的第一项即是vfunc1对应的条目。

最后,根据虚表中找到的函数指针,调用函数。从图3可以看到,B vtbl的第一项指向B::vfunc1(),所以p->vfunc1()实质会调用B::vfunc1()函数。

如果p指向类A的对象,情况又是怎么样?

int main() 
{
    A aObject;
    A *p = &aObject;
    p->vfunc1();
}

aObject在创建时,它的虚表指针__vptr已设置为指向A vtbl,这样p->__vptr就指向A vtbl。vfunc1在A vtbl对应在条目指向了A::vfunc1()函数,所以p->vfunc1()实质会调用A::vfunc1()函数。

可以把以上三个调用函数的步骤用以下表达式来表示:

(*(p->__vptr)[n])(p)

可以看到,通过使用这些虚函数表,即使使用的是基类的指针来调用函数,也可以达到正确调用运行中实际对象的虚函数。

我们把经过虚表调用虚函数的过程称为动态绑定,其表现出来的现象称为运行时多态。动态绑定区别于传统的函数调用,传统的函数调用我们称之为静态绑定,即函数的调用在编译阶段就可以确定下来了。

那么,什么时候会执行函数的动态绑定?这需要符合以下三个条件。

  • 通过指针来调用函数
  • 指针upcast向上转型(继承类向基类的转换称为upcast,关于什么是upcast,可以参考本文的参考资料)
  • 调用的是虚函数

如果一个函数调用符合以上三个条件,编译器就会把该函数调用编译成动态绑定,其函数的调用过程走的是上述通过虚表的机制。

五、总结

封装,继承,多态是面向对象设计的三个特征,而多态可以说是面向对象设计的关键。C++通过虚函数表,实现了虚函数与对象的动态绑定,从而构建了C++面向对象程序设计的基石。

参考资料

附录

示例代码