C++虚函数表详细解释及实例分析

蔚落 2024-02-19 13:27 7阅读 0赞

C++的虚函数(Virtual Function)是通过一张虚函数表(Virtual Table)来实现的。简称为V-Table。在这个表中，主要是一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖(override)的问题，保证其能真实的反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中这张表被分配在了这个实例的内存中，所以当我们用父类的指针操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得尤为重要了，他就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。

> ***说明：虚函数表中只存有一个虚函数的指针地址，不存放普通函数或是构造函数的指针地址。只要有虚函数，C++类都会存在这样的一张虚函数表，不管是普通虚函数 亦或 是 纯虚函数，亦或是 派生类中隐式声明的这些虚函数都会 生成这张虚函数表。***

虚函数表创建的时间：在一个类构造的时候，创建这张虚函数表，而这个虚函数表是供整个类所共有的。虚函数表存储在对象最开始的位置。

首先了解下这张虚函数表：虚函数表其实就是函数指针的地址。函数调用的时候，通过函数指针所指向的函数来调用函数。

1、无继承情况

1.  `#include <iostream>`
2.  
3.  `using namespace std;`
4.  
5.  `class Base`
6.  `{`
7.  `public:`
8.  `Base(){cout<<"Base construct"<<endl;}`
9.  `virtual void f() {cout<<"Base::f()"<<endl;}`
10. `virtual void g() {cout<<"Base::g()"<<endl;}`
11. `virtual void h() {cout<<"Base::h()"<<endl;}`
12. `virtual ~Base(){}`
13. `};`
14. 
15. `int main()`
16. `{`
17. `typedef void (*Fun)(); //定义一个函数指针类型变量类型 Fun`
18. `Base *b = new Base();`
19. `//虚函数表存储在对象最开始的位置`
20. `//将对象的首地址输出`
21. `cout<<"首地址："<<*(int*)(&b)<<endl;`
22. 
23. `Fun funf = (Fun)(*(int*)*(int*)b);`
24. `Fun fung = (Fun)(*((int*)*(int*)b+1));//地址内的值 即为函数指针的地址，将函数指针的地址存储在了虚函数表中了`
25. `Fun funh = (Fun)(*((int *)*(int *)b+2));`
26. 
27. `funf();`
28. `fung();`
29. `funh();`
30. 
31. `cout<<(Fun)(*((int*)*(int*)b+4))<<endl; //最后一个位置为0 表明虚函数表结束 +4是因为定义了一个 虚析构函数`
32. 
33. `delete b;`
34. `return 0;`
35. `}`

注意：在上面这个图中，虚函数表中最后一个节点相当于字符串的结束符，其标志了虚函数表的结束，在Codeblocks下打印为0。

![1350454384_3279.PNG][] Base::~Base()在Base::h()后边

2、继承，无虚函数覆盖的情形

1.  `#include <iostream>`
2.  `using namespace std;`
3.  
4.  `class Base {`
5.  `public:`
6.  `virtual void f() { cout << "Base::f()" << endl; }`
7.  `virtual void g() { cout << "Base::g()" << endl; }`
8.  `virtual void h() { cout << "Base::h()" << endl; }`
9.  `};`
10. 
11. `class Derive: public Base {`
12. `virtual void f1() { cout << "Derive::f1()" << endl; }`
13. `virtual void g1() { cout << "Derive::g1()" << endl; }`
14. `virtual void h1() { cout << "Derive::h1()" << endl; }`
15. `};`
16. 
17. `int main()`
18. `{`
19. `typedef void (*Fun)();`
20. 
21. `Base *b = new Derive;`
22. `cout << *(int*)b << endl;`
23. `Fun funf = (Fun)(*(int*)*(int*)b);`
24. `Fun fung = (Fun)(*((int*)*(int*)b + 1));`
25. `Fun funh = (Fun)(*((int*)*(int*)b + 2));`
26. `Fun funf1 = (Fun)(*((int*)*(int*)b + 3));`
27. `Fun fung1 = (Fun)(*((int*)*(int*)b + 4));`
28. `Fun funh1 = (Fun)(*((int*)*(int*)b + 5));`
29. 
30. 
31. `funf(); // Base::f()`
32. `fung(); // Base::g()`
33. `funh(); // Base::h()`
34. `funf1(); // Derive::f1()`
35. `fung1(); // Derive::g1()`
36. `funh1(); // Derive::h1()`
37. 
38. `cout << (Fun)(*((int*)*(int*)b + 6));`
39. `return 0;`
40. `}`

![o_vtable2.JPG][]

从表上可以看出

1、虚函数按照声明的顺序放在表中。

2、父类的虚函数在子类的虚函数前面。

3. 继承，虚函数覆盖的情形

1.  `#include <iostream>`
2.  `using namespace std;`
3.  
4.  `class Base {`
5.  `public:`
6.  `virtual void f() { cout << "Base::f()" << endl; }`
7.  `virtual void g() { cout << "Base::g()" << endl; }`
8.  `virtual void h() { cout << "Base::h()" << endl; }`
9.  `};`
10. 
11. `class Derive: public Base {`
12. `virtual void f() { cout << "Derive::f()" << endl; }`
13. `virtual void g1() { cout << "Derive::g1()" << endl; }`
14. `virtual void h1() { cout << "Derive::h1()" << endl; }`
15. `};`
16. 
17. `int main()`
18. `{`
19. `typedef void (*Fun)();`
20. 
21. `Base *b = new Derive;`
22. `cout << *(int*)b << endl;`
23. `Fun funf = (Fun)(*(int*)*(int*)b);`
24. `Fun fung = (Fun)(*((int*)*(int*)b + 1));`
25. `Fun funh = (Fun)(*((int*)*(int*)b + 2));`
26. `Fun fung1 = (Fun)(*((int*)*(int*)b + 3));`
27. `Fun funh1 = (Fun)(*((int*)*(int*)b + 4));`
28. 
29. 
30. `funf(); // Derive::f()`
31. `fung(); // Base::g()`
32. `funh(); // Base::h()`
33. `fung1(); // Derive::g1()`
34. `funh1(); // Derive::h1()`
35. 
36. `cout << (Fun)(*((int*)*(int*)b + 5));`
37. `return 0;`
38. `}`

![1350454700_3568.PNG][]

从表上可以看出：

1、覆盖的 f() 函数被放到虚函数表中原来父类虚函数的位置。

2、没有被覆盖的函数依旧。

3、可通过获取成员函数指针来调用成员函数（即时是private类型的成员函数），这就出现一定的安全问题。

4、多继承情况

1.  `#include <iostream>`
2.  `using namespace std;`
3.  
4.  `class Base1 {`
5.  `public:`
6.  `virtual void f() { cout << "Base1::f()" << endl; }`
7.  `virtual void g() { cout << "Base1::g()" << endl; }`
8.  `virtual void h() { cout << "Base1::h()" << endl; }`
9.  `};`
10. 
11. `class Base2 {`
12. `public:`
13. `virtual void f() { cout << "Base2::f()" << endl; }`
14. `virtual void g() { cout << "Base2::g()" << endl; }`
15. `virtual void h() { cout << "Base2::h()" << endl; }`
16. `};`
17. 
18. 
19. `class Base3 {`
20. `public:`
21. `virtual void f() { cout << "Base3::f()" << endl; }`
22. `virtual void g() { cout << "Base3::g()" << endl; }`
23. `virtual void h() { cout << "Base3::h()" << endl; }`
24. `};`
25. 
26. 
27. `class Derive: public Base1,public Base2, public Base3 {`
28. `virtual void f() { cout << "Derive::f()" << endl; }`
29. `virtual void g1() { cout << "Derive::g1()" << endl; }`
30. `};`
31. 
32. `int main()`
33. `{`
34. `typedef void (*Fun)();`
35. 
36. `Derive d;`
37. `Base1 *b1 = &d;`
38. `Base2 *b2 = &d;`
39. `Base3 *b3 = &d;`
40. 
41. 
42. `b1->f(); //Derive::f()`
43. `b2->f(); //Derive::f()`
44. `b3->f(); //Derive::f()`
45. `b1->g(); //Base1::g()`
46. `b2->g(); //Base2::g()`
47. `b3->g(); //Base3::g()`
48. 
49. 
50. `Fun b1fun = (Fun)(*(int*)*(int*)b1);`
51. `Fun b2fun = (Fun)(*(int*)*((int*)b1+1));`
52. `Fun b3fun = (Fun)(*(int*)*((int*)b1+2));`
53. 
54. `b1fun(); // Derive::f()`
55. `b2fun(); // Derive::f()`
56. `b3fun(); // Derive::f()`
57. 
58. `return 0;`
59. `}`

![1350454903_2853.PNG][]

从表上可以看出：

1、每个父类都有自己的虚函数表。

2、子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明的顺序来确定的）

3、对于多继承无虚函数覆盖的情况，布局与上图类似（Derive的位置对应Base）

[http://blog.chinaunix.net/uid-20196318-id-28833.html][http_blog.chinaunix.net_uid-20196318-id-28833.html]

一般继承（无虚函数覆盖）

下面，再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系：

![o_Drawing3.jpg][]

请注意，在这个继承关系中，子类没有重载任何父类的函数。那么，在派生类的实例中，其虚函数表如下所示：

对于实例：Derive d; 的虚函数表如下：

我们可以看到下面几点：

1）虚函数按照其声明顺序放于表中。

2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。

我相信聪明的你一定可以参考前面的那个程序，来编写一段程序来验证。

一般继承（有虚函数覆盖）

覆盖父类的虚函数是很显然的事情，不然，虚函数就变得毫无意义。下面，我们来看一下，如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数，会是一个什么样子？假设，我们有下面这样的一个继承关系。

![o_Drawing4.jpg][]

为了让大家看到被继承过后的效果，在这个类的设计中，我只覆盖了父类的一个函数：f()。那么，对于派生类的实例，其虚函数表会是下面的一个样子：

![o_vtable3.JPG][]

我们从表中可以看到下面几点，

1）覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

2）没有被覆盖的函数依旧。

这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，

Base \*b = new Derive();

b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

多重继承（无虚函数覆盖）

下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类并没有覆盖父类的函数。

![o_Drawing1.jpg][]

对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

![o_vtable4.JPG][]

我们可以看到：

1） 每个父类都有自己的虚表。

2） 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）

这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。

多重继承（有虚函数覆盖）

下面我们再来看看，如果发生虚函数覆盖的情况。

下图中，我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

![o_Drawing2.jpg][]

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

![o_vtable5.jpg][]

我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。如：

Derive d;

Base1 \*b1 = &d;

Base2 \*b2 = &d;

Base3 \*b3 = &d;

b1->f(); //Derive::f()

b2->f(); //Derive::f()

b3->f(); //Derive::f()

b1->g(); //Base1::g()

b2->g(); //Base2::g()

b3->g(); //Base3::g()

安全性

每次写C++的文章，总免不了要批判一下C++。这篇文章也不例外。通过上面的讲述，相信我们对虚函数表有一个比较细致的了解了。水可载舟，亦可覆舟。下面，让我们来看看我们可以用虚函数表来干点什么坏事吧。

**一、通过父类型的指针访问子类自己的虚函数**

我们知道，子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数，但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数：

Base1 \*b1 = new Derive();

b1->f1(); //编译出错

任何妄图使用父类指针想调用子类中的**未覆盖父类的成员函数**的行为都会被编译器视为非法，所以，这样的程序根本无法编译通过。但在运行时，我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。（关于这方面的尝试，通过阅读后面附录的代码，相信你可以做到这一点）

**二、访问non-public的虚函数**

另外，如果父类的虚函数是private或是protected的，但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中，所以，我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数，这是很容易做到的。

如：

class Base \{

private:

virtual void f() \{ cout << "Base::f" << endl; \}

\};

class Derive : public Base\{

\};

typedef void(\*Fun)(void);

void main() \{

Derive d;

Fun pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&d)+0);

pFun();

感谢博主：[http://hi.baidu.com/twqxapqwftbmoxq/item/a8d46307acd214c975cd3cf7][http_hi.baidu.com_twqxapqwftbmoxq_item_a8d46307acd214c975cd3cf7]

补充：

今天在c++坛子里瞎逛，看到精华坛里在讨论“为什么虚函数效率低”的问题，  
××楼主回答面试官说“跟cpu流水线执行效率有关”  
××某人回答“因为虚函数需要一次间接的寻址... 而一般的函数可以在编译时定位到函数的地址,虚函数(动态类型调用)是要根据某个指针定位到函数的地址. ”  
××“虚函数有个虚函数表，而且会传一个index索引~！会间接寻址！”  
××“流水线执行的话,和"命中率"有关吧. 也就是说在流水线后端,已经译码成功的,和正在执行的代码的后继是一样的. 否则流水线会中断,也就是说在后端做的是无效的,需要重新译码.”  
搞笑的是以下人的回复：  
××“的确，计算机程序效率说到底和计算机指令流水线息息相关（还和缓存命中率有关）。但是，把虚函数效率低的原因解释到流水线这一层，是极其变态的，这个考官很可能是在卖弄自己的水平而已。”  
××“楼主以后你要是遇到这种考官，你和他谈与非逻辑门，硅锗原子的组成和爱因斯坦相对论对虚函数的影响，绝对震惊四座！”  
××“说是因为流水线执行的原因，根本与问题不着边际。或者应该说影响流水线执行是效率低的无数原因中的一种才好。”  
××“首先是由this指向查找虚函数表,然后找到相应的虚函数地址  
比非虚函数多查找一次  
如果是(多继承)基类指针指向派生类对象的话,有可能会涉及this指针的调整  
比如先访问基类的成员数据再访问派生类的析构函数 就要进行一次this指针的调整  
具体可以参见 insied the c++ object model的多重继承下的virtual functions ”  
××“一些C++的书籍有明确的说明，针对类的虚函数的机制，如果有虚函数的话，编译器会为类增加一个虚函数表（VBL），当在动态执行程序时，会到该虚函数表中寻找函数。多增加了一个过程，效率肯定会低一些，但带来了运行时的多态。”  
××“流水线 貌似说的是 CPU执行代码的提前取指令吧  
虚函数 效率低 是因为 执行过程中会跳转两次（首先找到对象的函数表，其次通过该函数表中存的虚函数表地址找到真正的执行地址），这样CPU运行的时候会跳转两次，而普通函数只跳一次。CPU每跳转一次，预取指令基本上就要作废很多，所以效率会很低。”  
/最后得分者  
和流水线相关是说得通的，究其原因还是因为存在动态跳转，这会导致分支预测失败，流水线排空。  
  
设想一下，如果说不是虚函数，那么在编译时期，其相对地址是确定的，编译器可以直接生成jmp/invoke指令；  
如果是虚函数，多出来的一次查找vtable所带来的开销，倒是次要的，关键在于，这个函数地址是动态的，譬如  
取到的地址在eax里，则在call eax之后的那些已经被预取进入流水线的所有指令都将失效。流水线越长，一次分支预测失败的代价也就越大。  
  
pf->test();  
011E146D mov eax,dword ptr \[pf\]  
011E1470 mov edx,dword ptr \[eax\]  
011E1472 mov esi,esp  
011E1474 mov ecx,dword ptr \[pf\]  
011E1477 mov eax,dword ptr \[edx\]  
011E1479 call eax <------------------------- 分支预测失效  
011E147B cmp esi,esp  
011E147D call @ILT+355(\_\_RTC\_CheckEsp) (11E1168h)  
  
此兄接着回答道“说到流水线，penalty基本上都是因为气泡（也就是分支指令造成预取失效），知道这个以后碰到了就不会再卡壳了。虽然引入流水线（流水线其实是 RISC最初使用的），极大提高了效率，流水线不是越长越好。像P4，几十级流水线，频率虽高，但是性能不好，很大原因就是因为流水线实在臭长。有兴趣可 以去看看CPU怎么做分支预测，乱序执行的。”  
//  
还是贴上原帖的地址吧 http://topic.csdn.net/u/20081031/12/06d0e218-8aab-4203-850c-9e6b76099c09.html  
由此还引申出一个问题 虚函数在编译器里是怎么工作的

[http://blog.csdn.net/metalkittie/article/details/3281916][http_blog.csdn.net_metalkittie_article_details_3281916]

C++虚函数表面试汇总

一般来说，对于开发者我们只需要知道虚函数的使用方法，以及虚函数表的存在即可。但面试时往往会遇到更细节的问题，比如让你实现一个虚函数机制，虽然不太实用，总归了解些底层知识也是件好事。但如果有人苦苦相逼一定要拿这个刷人，你就去骂他吧，你才是写编译器的，你们全家都是写编译器的。唉，我有些失态了...

1. 虚函数与虚函数表基本知识

这里有一篇介绍，只需看前两页，各种配图，很形象：[http://dev.yesky.com/208/8061708.shtml][http_dev.yesky.com_208_8061708.shtml]

这篇文章则更精练，只需看第一段就好：[http://blog.csdn.net/jiangnanyouzi/article/details/3720807][http_blog.csdn.net_jiangnanyouzi_article_details_3720807]

总的来说，每一个拥有virtual function的类实例化对象时，都会额外申请一块内存存储虚函数表存储所有虚函数地址，并在对象某个位置存储一个vptr指针指向该表起始地址。这个指针具体放在什么位置，虚函数表怎么组织，怎么索引各个虚函数，这些都是编译器在编译期间决定的，在不同编译环境下不见得相同。

2. 多态子类的调用顺序 -- 为什么不要在构造函数中调用虚函数

原因是，在子类的构造函数执行时，虚函数表还没有被子类覆盖，换句话说，此时调用的函数是当前类的函数，虚函数机制在构造函数中无法触发。其原因在于子类构造时各个初始化步骤的调用顺序：

全部推演过程见此：[http://saturnman.blog.163.com/blog/static/557611201081421344244/][http_saturnman.blog.163.com_blog_static_557611201081421344244]

直接摘录构造顺序：

1．构造子类构造函数的参数

2．子类调用基类构造函数

3．基类设置vptr

4．基类初始化列表内容进行构造

5.基类函数体调用

6.子类设置vptr

7.子类初始化列表内容进行构造

8.子类构造函数体调用

（注意一点，初始化列表内的数据不按书写顺序，而是按类内部的定义顺序）

析构的顺序恰好相反，所以也不要在析构函数中调用虚函数，那样也是没有意义的。

3. 如何去验证虚函数表的存在

其实在第一个链接里已经有了示例程序。

如果你看不懂函数指针，请看这里：[http://hi.baidu.com/homonia/blog/item/90b7a72c49c521ea8a1399e2.html][http_hi.baidu.com_homonia_blog_item_90b7a72c49c521ea8a1399e2.html]

4. 为什么构造函数不能是虚函数

1、从设计理念上说，构造函数不需要是虚函数；

2、从当前vptr的实现机制上说，无法实现虚的构造函数。

详细可见这里：[http://www.diybl.com/course/3\_program/c++/cppxl/2008320/105849.html][http_www.diybl.com_course_3_program_c_cppxl_2008320_105849.html]

原文：[http://hi.baidu.com/hehehehello/blog/item/6f0d2f3443bb26205bb5f507.html][http_hi.baidu.com_hehehehello_blog_item_6f0d2f3443bb26205bb5f507.html]

原文：[http://www.cnblogs.com/bizhu/archive/2012/05/21/2512316.html][http_www.cnblogs.com_bizhu_archive_2012_05_21_2512316.html]

[1350454384_3279.PNG]: https://img-my.csdn.net/uploads/201210/17/1350454384_3279.PNG
[o_vtable2.JPG]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/b46745a7f7294fd4a8556440dc9200d8.png
[1350454700_3568.PNG]: https://img-my.csdn.net/uploads/201210/17/1350454700_3568.PNG
[1350454903_2853.PNG]: https://img-my.csdn.net/uploads/201210/17/1350454903_2853.PNG
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[o_Drawing3.jpg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/355fd8cc5a5f41628d123f5a8b870506.png
[o_Drawing4.jpg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/0425c530fdf24704903de4f0548865c2.png
[o_vtable3.JPG]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/ee2c3cc6929241168e98e88f016a30c4.png
[o_Drawing1.jpg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/ccb7882580074f67891e516ad7a75746.png
[o_vtable4.JPG]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/731b10fff173451eb069b70f8cdfb2b1.png
[o_Drawing2.jpg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/76b23ddccbfd473cbf4581e13102eb75.png
[o_vtable5.jpg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/cceede8263984caca7a6c79d309dd025.png
[http_hi.baidu.com_twqxapqwftbmoxq_item_a8d46307acd214c975cd3cf7]: http://hi.baidu.com/twqxapqwftbmoxq/item/a8d46307acd214c975cd3cf7
[http_blog.csdn.net_metalkittie_article_details_3281916]: http://blog.csdn.net/metalkittie/article/details/3281916
[http_dev.yesky.com_208_8061708.shtml]: http://dev.yesky.com/208/8061708.shtml
[http_blog.csdn.net_jiangnanyouzi_article_details_3720807]: http://blog.csdn.net/jiangnanyouzi/article/details/3720807
[http_saturnman.blog.163.com_blog_static_557611201081421344244]: http://saturnman.blog.163.com/blog/static/557611201081421344244/
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