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C++ 虚函数表和虚函数指针机制

  1. 虚函数的作用是实现派生类继承基类的接口和一个默认的实现
  2. 那么是如何实现这种机制的呢?
    答案:通过虚函数表和虚函数指针实现。
class Base_VirtualFunction {
public:
    int val;
    virtual void print() {
        cout << "base" << endl;
    }
};

class Base_VirtualFunction1 {
public:
    int val;
   //这里少了virtual
     void print() {
        cout << "base" << endl;
    }
};

    Base_VirtualFunction b;
   //输出8
    cout << sizeof(b) << endl;

    Base_VirtualFunction1 b1;
   //输出4
    cout << sizeof(b1) << endl;

为什么加上了一个virtual之后,对象的大小就增加了4,就是因为,如果一个类里面存在虚函数,那么这个类的对象里面就要保存一个虚函数的指针。虚函数表保存在这个类里面。

简单的做一个小结:
1 对于一个类(这个类必须是有virtual 函数的类)只有一张虚函数表
2 这个类每创建一个对象就有一个虚函数指针

tips:
从c++的设计者的角度来说,如果一个类没有必要设计成virtual base class,那么就不要加上virtual。因为加入virtual之后,编译器对这个类做的事情,会远远比不加入virtual多得多。也就是所,加入virtual之后,效率会明显的下降。

具体实现机制 to-do

举一个例子《深度搜索c++对象模型》第四章 4.2 虚拟成员函数
c++对于虚函数的多态行为的解决方案就是:虚函数表+虚指针

凡是声明有虚函数的类,其对象都含有一个隐藏的data member,用来指向该class 的vtbl。这个隐藏的data member就是vptr(virtual table Pointer)。

假设我么你有一个程序,其中有几个类型为C1和C2的对象。类对象,vptrs,vtbls之间的关系,如下图所示:

C++ 虚函数表和虚函数指针

虚函数表里面的内容是:

C++ 虚函数表和虚函数指针

如果C2继承了C1,那么C2的虚函数表是:

C++ 虚函数表和虚函数指针

那现在考虑一个这样的代码:

void makeCall(C1 * pc1){
     pc1->f1();
}

pc1通过pc1调用虚函数f1,如果只看这段代码,无法知道要执行哪一个f1函数(C1::f1 或者是 C2::f1)会被调用,因为pc1可能指向一个c1对象,也可能指向一个c2对象。尽管如此,编译器仍然需要为pc1调用f1产生可执行的代码。
所有编译器必须要产生代码,完成如下的动作:

  1. 根据对象的vptr找到vtbl。
C1 * pc1=new C1();
C1->f1();

上述的代码,根据指针pc1来访问pc1指向的对象(C1 类型的对象),然后访问这个对象里面的虚函数指针vptr,通过vptr找到vtbl。这个vtbl就是C1类的vtbl。

C2 * pc2=new C2();
pc2->f1();

上述的代码,根据指针pc1来访问pc1指向的对象(C1 类型的对象),然后访问这个对象里面的虚函数指针vptr,通过vptr找到vtbl。这个vtbl就是C2类的vtbl。

  1. 找到被调用的函数(f1)在vtbl内对应的指针。
  2. 执行所指向的函数。

所以,语句

   pc1->f1();

被编译器处理之后的代码是:

//调用pc1->vptr 所指的vtbl中的第i个条目所指的函数,pc1被传给该函数作为“this”指针所用
(* (pc1->vptr[i]) )(pc1)
参考资料:

这一部分是来自《more effective c++》的条款24。