虛函式表 筆記

2021-10-11 02:48:34 字數 3392 閱讀 5026

為了實現 c++ 的多型,c++ 使用了一種動態繫結的技術。這個技術的核心是虛函式表(下文簡稱虛表)。本文介紹虛函式表是如何實現動態繫結的。

每個包含了虛函式的類都包含乙個虛表。

我們知道,當乙個類(a)繼承另乙個類(b)時,類 a 會繼承類 b 的函式的呼叫權。所以如果乙個基類包含了虛函式,那麼其繼承類也可呼叫這些虛函式,換句話說,乙個類繼承了包含虛函式的基類,那麼這個類也擁有自己的虛表。

我們來看以下的**。類 a 包含虛函式vfunc1,vfunc2,由於類 a 包含虛函式,故類 a 擁有乙個虛表。

class

a;

類a的虛表如圖1所示。

圖 1:類 a 的虛表示意圖

虛表是乙個指標陣列,其元素是虛函式的指標,每個元素對應乙個虛函式的函式指標。需要指出的是,普通的函式即非虛函式,其呼叫並不需要經過虛表,所以虛表的元素並不包括普通函式的函式指標。

虛表內的條目,即虛函式指標的賦值發生在編譯器的編譯階段,也就是說在**的編譯階段,虛表就可以構造出來了。

虛表是屬於類的,而不是屬於某個具體的物件,乙個類只需要乙個虛表即可。同乙個類的所有物件都使用同乙個虛表。

為了指定物件的虛表,物件內部包含乙個虛表的指標,來指向自己所使用的虛表。為了讓每個包含虛表的類的物件都擁有乙個虛表指標,編譯器在類中新增了乙個指標,*__vptr,用來指向虛表。這樣,當類的物件在建立時便擁有了這個指標,且這個指標的值會自動被設定為指向類的虛表。

圖 2:物件與它的虛表

上面指出,乙個繼承類的基類如果包含虛函式,那個這個繼承類也有擁有自己的虛表,故這個繼承類的物件也包含乙個虛表指標,用來指向它的虛表。

說到這裡,大家一定會好奇 c++ 是如何利用虛表和虛表指標來實現動態繫結的。我們先看下面的**。

classa;

classb:

publica

;classc:

publicb

;

類 a 是基類,類 b 繼承類 a,類 c 又繼承類 b。類 a,類 b,類 c,其物件模型如下圖 3 所示。

圖 3:類 a,類 b,類 c 的物件模型

由於這三個類都有虛函式,故編譯器為每個類都建立了乙個虛表,即類 a 的虛表(a vtbl),類 b 的虛表(b vtbl),類 c 的虛表(c vtbl)。類 a,類 b,類 c 的物件都擁有乙個虛表指標,*__vptr,用來指向自己所屬類的虛表。

類 a 包括兩個虛函式,故 a vtbl 包含兩個指標,分別指向a::vfunc1()和a::vfunc2()。

類 b 繼承於類 a,故類 b 可以呼叫類 a 的函式,但由於類 b 重寫了b::vfunc1()函式,故 b vtbl 的兩個指標分別指向b::vfunc1()和a::vfunc2()。

類 c 繼承於類 b,故類 c 可以呼叫類 b 的函式,但由於類 c 重寫了c::vfunc2()函式,故 c vtbl 的兩個指標分別指向b::vfunc1()(指向繼承的最近的乙個類的函式)和c::vfunc2()。

雖然圖 3 看起來有點複雜,但是只要抓住「物件的虛表指標用來指向自己所屬類的虛表,虛表中的指標會指向其繼承的最近的乙個類的虛函式」這個特點,便可以快速將這幾個類的物件模型在自己的腦海中描繪出來。

非虛函式的呼叫不用經過虛表,故不需要虛表中的指標指向這些函式。

假設我們定義乙個類 b 的物件。由於 bobject是類 b 的乙個物件,故bobject包含乙個虛表指標,指向類 b 的虛表。

int

main()

現在,我們宣告乙個類 a 的指標p來指向物件bobject。雖然p是基類的指標只能指向基類的部分,但是虛表指標亦屬於基類部分,所以p可以訪問到物件bobject的虛表指標。bobject的虛表指標指向類 b 的虛表,所以p可以訪問到 b vtbl。如圖 3 所示。

int

main()

當我們使用p來呼叫vfunc1()函式時,會發生什麼現象?

int

main()

程式在執行p->vfunc1()時,會發現p是個指標,且呼叫的函式是虛函式,接下來便會進行以下的步驟。

首先,根據虛表指標p->__vptr來訪問物件bobject對應的虛表。雖然指標p是基類a型別,但是__vptr也是基類的一部分,所以可以通過p->__vptr可以訪問到物件對應的虛表。

然後,在虛表中查詢所呼叫的函式對應的條目。由於虛表在編譯階段就可以構造出來了,所以可以根據所呼叫的函式定位到虛表中的對應條目。對於 p->vfunc1()的呼叫,b vtbl 的第一項即是vfunc1對應的條目。

最後,根據虛表中找到的函式指標,呼叫函式。從圖 3 可以看到,b vtbl 的第一項指向b::vfunc1(),所以 p->vfunc1()實質會呼叫b::vfunc1() 函式。

如果p指向類 a 的物件,情況又是怎麼樣?

int

main()

當aobject在建立時,它的虛表指標__vptr已設定為指向 a vtbl,這樣p->__vptr就指向 a vtbl。vfunc1在 a vtbl 對應在條目指向了a::vfunc1()函式,所以 p->vfunc1()實質會呼叫a::vfunc1()函式。

可以把以上三個呼叫函式的步驟用以下表示式來表示:

(

*(p->__vptr)

[n])

(p)

可以看到,通過使用這些虛函式表,即使使用的是基類的指標來呼叫函式,也可以達到正確呼叫執行中實際物件的虛函式。

我們把經過虛表呼叫虛函式的過程稱為動態繫結,其表現出來的現象稱為執行時多型。動態繫結區別於傳統的函式呼叫,傳統的函式呼叫我們稱之為靜態繫結,即函式的呼叫在編譯階段就可以確定下來了。

那麼,什麼時候會執行函式的動態繫結?這需要符合以下三個條件。

通過指標來呼叫函式

指標 upcast 向上轉型(繼承類向基類的轉換稱為 upcast,關於什麼是 upcast,可以參考本文的參考資料)

呼叫的是虛函式

如果乙個函式呼叫符合以上三個條件,編譯器就會把該函式呼叫編譯成動態繫結,其函式的呼叫過程走的是上述通過虛表的機制。

封裝,繼承,多型是物件導向設計的三個特徵,而多型可以說是物件導向設計的關鍵。c++ 通過虛函式表,實現了虛函式與物件的動態繫結,從而構建了 c++ 物件導向程式設計的基石。

示例**

虛函式表指標,虛函式表

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虛函式表和虛函式表的指標

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虛函式之虛函式表

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