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C++虚表,谁都能搞懂

我们说的虚表其实有很多种叫法:

  • virtual method table(VMT)
  • virtual function table(vftable)
  • virtual call table
  • dispatch table
  • vtable

这些都是虚表的意思。虚表是一种利用程序语言实现的dynamic dispatch机制,或者说runtime method binding机制,也就是我们说的多态。

注:笔者在本文使用C++语言,并且统一用 vTable 来表示虚表。

虚函数

用virtual关键字修饰的函数就叫 虚函数

因为vTable(虚表)是C++利用runtime来实现多态的工具,所以我们需要借助 virtual关键字 将函数代码地址存入vTable来躲开静态编译期。这里我们先不深入探究,后面我会细说。

首先我们先来看一个没有虚函数,即没有用到vTable的例子:

#include <iostream>
#include <ctime>
using std::cout;
using std::endl;

struct Animal { void makeSound() { cout << "动物叫了" << endl; } };

struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } };
struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "猪叫了" << endl; } };
struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驴叫了" << endl; } };

int main(int argc, const char * argv[])
{
srand((unsigned)time(0));
int count = 4;
while (count --) {
Animal *animal = nullptr;
switch (rand() % 3) {
case 0:
animal = new Cow;
break;
case 1:
animal = new Pig;
break;
case 2:
animal = new Donkey;
break;
}
animal->makeSound();
delete animal;
}
return 0;
}

程序中有一个 基类Animal ,它有一个 makeSound()函数 。有三个继承自Animal的子类,分别是 牛、猪、驴 ,并且实现了自己的 makeSound()方法 。很简单的代码,是吧。

我们运行程序,你觉得输出结果会是什么呢?不错,这里会连续执行4次Animal的makeSound()方法,结果如下:

C++虚表,谁都能搞懂

为什么?因为我们的基类Animal的makeSound()方法 没有使用Virtual 修饰,所以在静态编译时就makeSound()的实现就定死了。调用makeSound()方法时,编译器发现这是Animal指针,就会直接jump到makeSound()的代码段地址进行调用。

ok,那么我们把Animal的makeSound()改为虚函数,如下:

struct Animal { virtual void makeSound() { cout << "动物叫了" << endl; } };

运行会是怎样?如你所料,多态已经成功实现:

C++虚表,谁都能搞懂

接下来就是大家最关心的部分,这是怎么回事?编译器到底做了什么?

虚表

为了说明方便,我们需要修改一下 基类Animal 的代码,不改变其他子类,修改如下:

struct Animal {
virtual void makeSound() { cout << "动物叫了" << endl; }
virtual void walk() {}
void sleep() {}
};

struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } };
struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "猪叫了" << endl; } };
struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驴叫了" << endl; } };

首先我们需要知道几个关键点:

  1. 函数只要有virtual,我们就需要把它添加进vTable。
  2. 每个类(而不是类实例)都有自己的虚表,因此vTable就变成了vTables。
  3. 虚表存放的位置一般存放在模块的常量段中,从始至终都只有一份。 详情可在此参考

我们怎么理解?从本例来看,我们的Animal、Cow、Pig、Donkey类都有自己的虚表,并且虚表里都有两个地址指针指向makeSound()和walk()的函数地址。一个指针4个字节,因此每个vTable的大小都是8个字节。如图:

C++虚表,谁都能搞懂

他们的虚表中记录着不同函数的地址值。可以看到Cow、Pig、Donkey 重写了makeSound()函数 但是没有重写walk()函数。因此在调用makeSound()时,就会直接jump到自己实现的code Address。而调用walk()时,则会jump到Animal父类walk的Code Address。

虚指针

现在我们已经知道虚表的数据结构了,那么我们在堆里实例化类对象时是怎么样调用到相应的函数的呢?这就要借助到虚指针了(vPointer)。

虚指针是类实例对象指向虚表的指针,存在于对象头部,大小为4个字节,比如我们的Donkey类的实例化对象数据结构就如下:

C++虚表,谁都能搞懂

我们修改main函数里的代码,如下:

int main(int argc, const char * argv[])
{
int count = 2;
while (count --) {
Animal *animal = new Donkey;
animal->makeSound();
delete animal;
}
return 0;
}

我们在堆中生成了两个Donkey实例,运行结果如下:

驴叫了
驴叫了
Program ended with exit code: 0

没问题。然后我们再来看看堆里的结构,就变成了这样:

C++虚表,谁都能搞懂

还有什么是这张图不能说明的呢?

Enjoy it :)

参考链接:

C++ vTable Preview

C++ vPointers and vTables

Virtual method table

虚函数表放在哪里
原文  http://www.iosxxoo.com/2016/06/30/2016-06-30/
正文到此结束
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