C++虛擬函式原理
1. 概述
簡單地說,每一個含有虛擬函式(無論是其本身的,還是繼承而來的)的類都至少有一個與之對應的虛擬函式表,其中存放著該類所有的虛擬函式對應的函式指標。例:
其中:
- B的虛擬函式表中存放著B::foo和B::bar兩個函式指標。
- D的虛擬函式表中存放的既有繼承自B的虛擬函式B::foo,又有重寫(override)了基類虛擬函式B::bar的D::bar,還有新增的虛擬函式D::quz。
提示:為了描述方便,本文在探討物件記憶體佈局時,將忽略記憶體對齊對佈局的影響。
2. 虛擬函式表構造過程
從編譯器的角度來說,B的虛擬函式表很好構造,D的虛擬函式表構造過程相對複雜。下面給出了構造D的虛擬函式表的一種方式(僅供參考):
提示:該過程是由編譯器完成的,因此也可以說:虛擬函式替換過程發生在編譯時。
3. 虛擬函式呼叫過程
以下面的程式為例:
編譯器只知道pb是B*型別的指標,並不知道它指向的具體物件型別 :pb可能指向的是B的物件,也可能指向的是D的物件。
但對於“pb->bar()”,編譯時能夠確定的是:此處operator->的另一個引數是B::bar(因為pb是B*型別的,編譯器認為bar是B::bar),而B::bar和D::bar在各自虛擬函式表中的偏移位置是相等的。
無論pb指向哪種型別的物件,只要能夠確定被調函式在虛擬函式中的偏移值,待執行時,能夠確定具體型別,並能找到相應vptr了,就能找出真正應該呼叫的函式。
提示:本人曾在“C/C++雜記:深入理解資料成員指標、函式成員指標”一文中提到:虛擬函式指標中的ptr部分為虛擬函式表中的偏移值(以位元組為單位)加1。
B::bar是一個虛擬函式指標, 它的ptr部分內容為9,它在B的虛擬函式表中的偏移值為8(8+1=9)。
當程式執行到“pb->bar()”時,已經能夠判斷pb指向的具體型別了:
- 如果pb指向B的物件,可以獲取到B物件的vptr,加上偏移值8((char*)vptr + 8),可以找到B::bar。
- 如果pb指向D的物件,可以獲取到D物件的vptr,加上偏移值8((char*)vptr + 8) ,可以找到D::bar。
- 如果pb指向其它型別物件...同理...
4. 多重繼承
當一個類繼承多個類,且多個基類都有虛擬函式時,子類物件中將包含多個虛擬函式表的指標(即多個vptr),例:
其中:D自身的虛擬函式與B基類共用了同一個虛擬函式表,因此也稱B為D的主基類(primary base class)。
虛擬函式替換過程與前面描述類似,只是多了一個虛擬函式表,多了一次拷貝和替換的過程。
虛擬函式的呼叫過程,與前面描述基本類似,區別在於基類指標指向的位置可能不是派生類物件的起始位置,以如下面的程式為例:
5. 菱形繼承
本文不討論菱形繼承的情形,個人覺得:菱形繼承的複雜度遠大於它的使用價值,這也是C++讓人又愛又恨的原因之一。