C++中的虛函數(shù)的作用主要是實(shí)現(xiàn)了多態(tài)的機(jī)制。關(guān)于多態(tài)，簡(jiǎn)而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實(shí)例，然后通過(guò)父類的指針調(diào)用實(shí)際子類的成員函數(shù)。這種技術(shù)可以讓父類的指針有“多種形態(tài)”，這是一種泛型技術(shù)。所謂泛型技術(shù)，說(shuō)白了就是試圖使用不變的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)可變的算法。比如：模板技術(shù)，RTTI技術(shù)，虛函數(shù)技術(shù)，要么是試圖做到在編譯時(shí)決議，要么試圖做到運(yùn)行時(shí)決議。
關(guān)于虛函數(shù)的使用方法，我在這里不做過(guò)多的闡述。大家可以看看相關(guān)的C++的書籍。在這篇文章中，我只想從虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制上面為大家 一個(gè)清晰的剖析。
當(dāng)然，相同的文章在網(wǎng)上也出現(xiàn)過(guò)一些了，但我總感覺(jué)這些文章不是很容易閱讀，大段大段的代碼，沒(méi)有圖片，沒(méi)有詳細(xì)的說(shuō)明，沒(méi)有比較，沒(méi)有舉一反三。不利于學(xué)習(xí)和閱讀，所以這是我想寫下這篇文章的原因。也希望大家多給我提意見(jiàn)。
言歸正傳，讓我們一起進(jìn)入虛函數(shù)的世界。

1.虛函數(shù)的定義
　　虛函數(shù)必須是類的非靜態(tài)成員函數(shù)(且非構(gòu)造函數(shù))，其訪問(wèn)權(quán)限是public（可以定義為private or proteceted, 但是對(duì)于多態(tài)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有意義。），在基類的類定義中定義虛函數(shù)的一般形式：
　　　　　　virtual 函數(shù)返回值類型 虛函數(shù)名（形參表）
　　　　　　{ 函數(shù)體 }
     虛函數(shù)的作用是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)編，也就是在程序的運(yùn)行階段動(dòng)態(tài)地選擇合適的成員函數(shù)，在定義了虛函數(shù)后，可以在基類的派生類中對(duì)虛函數(shù)重新定義（形式也是：virtual 函數(shù)返回值類型 虛函數(shù)名（形參表）{ 函數(shù)體 }），在派生類中重新定義的函數(shù)應(yīng)與虛函數(shù)具有相同的形參個(gè)數(shù)和形參類型。以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的接口，不同定義過(guò)程。如果在派生類中沒(méi)有對(duì)虛函數(shù)重新定義，則它繼承其基類的虛函數(shù)。當(dāng)程序發(fā)現(xiàn)虛函數(shù)名前的關(guān)鍵字virtual后，會(huì)自動(dòng)將其作為動(dòng)態(tài)聯(lián)編處理，即在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地選擇合適的成員

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)編需要三個(gè)條件：
　　1、 必須把需要?jiǎng)討B(tài)聯(lián)編的行為定義為類的公共屬性的虛函數(shù)。
　　2、 類之間存在子類型關(guān)系，一般表現(xiàn)為一個(gè)類從另一個(gè)類公有派生而來(lái)。
　　3、 必須先使用基類指針指向子類型的對(duì)象，然后直接或者間接使用基類指針調(diào)用虛函數(shù)。

定義虛函數(shù)的限制：
　?。?）非類的成員函數(shù)不能定義為虛函數(shù)，類的成員函數(shù)中靜態(tài)成員函數(shù)和構(gòu)造函數(shù)也不能定義為虛函數(shù)，但可以將析構(gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)。實(shí)際上，優(yōu)秀的程序員常常把基類的析構(gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)。因?yàn)?，將基類的析?gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)后，當(dāng)利用delete刪除一個(gè)指向派生類定義的對(duì)象指針時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用相應(yīng)的類的析構(gòu)函數(shù)。而不將析構(gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)時(shí)，只調(diào)用基類的析構(gòu)函數(shù)。
　?。?）只需要在聲明函數(shù)的類體中使用關(guān)鍵字“virtual”將函數(shù)聲明為虛函數(shù)，而定義函數(shù)時(shí)不需要使用關(guān)鍵字“virtual”。
　?。?）如果聲明了某個(gè)成員函數(shù)為虛函數(shù)，則在該類中不能出現(xiàn)和這個(gè)成員函數(shù)同名并且返回值、參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)類型都相同的非虛函數(shù)。在以該類為基類的派生類中，也不能出現(xiàn)這種非虛的同名同返回值同參數(shù)個(gè)數(shù)同參數(shù)類型函數(shù)。

為什么虛函數(shù)必須是類的成員函數(shù)：
虛函數(shù)誕生的目的就是為了實(shí)現(xiàn)多態(tài)，在類外定義虛函數(shù)毫無(wú)實(shí)際用處。

為什么類的靜態(tài)成員函數(shù)不能為虛函數(shù)：
如果定義為虛函數(shù)，那么它就是動(dòng)態(tài)綁定的，也就是在派生類中可以被覆蓋的，這與靜態(tài)成員函數(shù)的定義（：在內(nèi)存中只有一份拷貝；通過(guò)類名或?qū)ο笠迷L問(wèn)靜態(tài)成員）本身就是相矛盾的。

為什么構(gòu)造函數(shù)不能為虛函數(shù)：
 　　因?yàn)槿绻麡?gòu)造函數(shù)為虛函數(shù)的話，它將在執(zhí)行期間被構(gòu)造，而執(zhí)行期則需要對(duì)象已經(jīng)建立，構(gòu)造函數(shù)所完成的工作就是為了建立合適的對(duì)象，因此在沒(méi)有構(gòu)建好的對(duì)象上不可能執(zhí)行多態(tài)（虛函數(shù)的目的就在于實(shí)現(xiàn)多態(tài)性）的工作。在繼承體系中，構(gòu)造的順序就是從基類到派生類，其目的就在于確保對(duì)象能夠成功地構(gòu)建。構(gòu)造函數(shù)同時(shí)承擔(dān)著虛函數(shù)表的建立，如果它本身都是虛函數(shù)的話，如何確保vtbl的構(gòu)建成功呢？

　　注意：當(dāng)基類的構(gòu)造函數(shù)內(nèi)部有虛函數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？結(jié)果是在構(gòu)造函數(shù)中，虛函數(shù)機(jī)制不起作用了，調(diào)用虛函數(shù)如同調(diào)用一般的成員函數(shù)一樣。當(dāng)基類的析構(gòu)函數(shù)內(nèi)部有虛函數(shù)時(shí)，又如何工作呢？與構(gòu)造函數(shù)相同，只有“局部”的版本被調(diào)用。但是，行為相同，原因是不一樣的。構(gòu)造函數(shù)只能調(diào)用“局部”版本，是因?yàn)檎{(diào)用時(shí)還沒(méi)有派生類版本的信息。析構(gòu)函數(shù)則是因?yàn)榕缮惏姹镜男畔⒁呀?jīng)不可靠了。我們知道，析構(gòu)函數(shù)的調(diào)用順序與構(gòu)造函數(shù)相反，是從派生類的析構(gòu)函數(shù)到基類的析構(gòu)函數(shù)。當(dāng)某個(gè)類的析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用時(shí)，其派生類的析構(gòu)函數(shù)已經(jīng)被調(diào)用了，相應(yīng)的數(shù)據(jù)也已被丟失，如果再調(diào)用虛函數(shù)的派生類的版本，就相當(dāng)于對(duì)一些不可靠的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，這是非常危險(xiǎn)的。因此，在析構(gòu)函數(shù)中，虛函數(shù)機(jī)制也是不起作用的。

 2.虛函數(shù)表
　　對(duì)C++ 了解的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)（Virtual Function）是通過(guò)一張?zhí)摵瘮?shù)表（Virtual Table）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)稱為V-Table。 在這個(gè)表中，主是要一個(gè)類的虛函數(shù)的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問(wèn)題，保證其容真實(shí)反應(yīng)實(shí)際的函數(shù)。這樣，在有虛函數(shù)的類的實(shí)例（注：抽象類即有純虛函數(shù)的類不能被實(shí)例化。）中這個(gè)表被分配在了這個(gè)實(shí)例的內(nèi)存中（注：一個(gè)類的虛函數(shù)表是靜態(tài)的，也就是說(shuō)對(duì)這個(gè)類的每個(gè)實(shí)例，他的虛函數(shù)表的是固定的，不會(huì)為每個(gè)實(shí)例生成一個(gè)相應(yīng)的虛函數(shù)表。），所以，當(dāng)我們用父類的指針來(lái)操作一個(gè)子類的時(shí)候，這張?zhí)摵瘮?shù)表就顯得由為重要了，它就像一個(gè)地圖一樣，指明了實(shí)際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。

這里我們著重看一下這張?zhí)摵瘮?shù)表。在C++的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格說(shuō)明書中說(shuō)到，編譯器必需要保證虛函數(shù)表的指針存在于對(duì)象實(shí)例中最前面的位置（這是為了保證正確取到虛函數(shù)的偏移量）。 這意味著我們通過(guò)對(duì)象實(shí)例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表，然后就可以遍歷其中函數(shù)指針，并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。

假設(shè)我們有這樣的一個(gè)類：

class Base {

public:

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

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

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

};

按照上面的說(shuō)法，我們可以通過(guò)Base的實(shí)例來(lái)得到Base的虛函數(shù)表。 下面是實(shí)際例程：

{

...

typedef void(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虛函數(shù)表地址：" << (int*)(&b) << endl;

cout << "虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));

pFun();

...

}

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)果如下(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3) ：

虛函數(shù)表地址：0012FED4

虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：0044F148

Base::f

　　通過(guò)這個(gè)示例，我們可以看到，我們可以通過(guò)強(qiáng)行把&b轉(zhuǎn)成int *，取得虛函數(shù)表的地址，然后，再次取址就可以得到第一個(gè)虛函數(shù)的地址了，也就是Base::f()，這在上面的程序中得到了驗(yàn)證（把int* 強(qiáng)制轉(zhuǎn)成了函數(shù)指針）。通過(guò)這個(gè)示例，我們就可以知道如果要調(diào)用Base::g()和Base::h()，其代碼如下：

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()

 畫個(gè)圖解釋一下。如下所示：

注意：在上面這個(gè)圖中，我在虛函數(shù)表的最后多加了一個(gè)結(jié)點(diǎn)，這是虛函數(shù)表的結(jié)束結(jié)點(diǎn)，就像字符串的結(jié)束符“/0”一樣，其標(biāo)志了虛函數(shù)表的結(jié)束。這個(gè)結(jié)束標(biāo)志的值在不同的編譯器下是不同的。

在WinXP+VS2003下，這個(gè)值是NULL。

而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，這個(gè)值是如果1，表示還有下一個(gè)虛函數(shù)表，如果值是0，表示是最后一個(gè)虛函數(shù)表。

下面，我將分別說(shuō)明“無(wú)覆蓋”和“有覆蓋”時(shí)的子類虛函數(shù)表的樣子。沒(méi)有覆蓋父類的虛函數(shù)是毫無(wú)意義的。我之所以要講述沒(méi)有覆蓋的情況，主要目的是為了給一個(gè)對(duì)比。在比較之下，我們可以更加清楚地知道其內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)。

（1）、一般繼承（無(wú)虛函數(shù)覆蓋）
下面，再讓我們來(lái)看看繼承時(shí)的虛函數(shù)表是什么樣的。假設(shè)有如下所示的一個(gè)繼承關(guān)系：

請(qǐng)注意，在這個(gè)繼承關(guān)系中，子類沒(méi)有重寫任何父類的函數(shù)。那么，在派生類的實(shí)例的虛函數(shù)表如下所示：

對(duì)于實(shí)例：Derive d; 的虛函數(shù)表如下： （overload（重載） 和 override（重寫），重載就是所謂的名同而簽名不同，重寫就是對(duì)子類對(duì)虛函數(shù)的重新實(shí)現(xiàn)。）

我們可以看到下面幾點(diǎn)：

1）虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。

2）父類的虛函數(shù)在子類的虛函數(shù)前面。

（2）、一般繼承（有虛函數(shù)覆蓋）
覆蓋父類的虛函數(shù)是很顯然的事情，不然，虛函數(shù)就變得毫無(wú)意義。下面，我們來(lái)看一下，如果子類中有虛函數(shù)重載了父類的虛函數(shù)，會(huì)是一個(gè)什么樣子？假設(shè)，我們有下面這樣的一個(gè)繼承關(guān)系。

為了讓大家看到被繼承過(guò)后的效果，在這個(gè)類的設(shè)計(jì)中，我只覆蓋了父類的一個(gè)函數(shù)：f()。那么，對(duì)于派生類的實(shí)例的虛函數(shù)表會(huì)是下面的樣子：

我們從表中可以看到下面幾點(diǎn)，

1）覆蓋的f()函數(shù)被放到了子類虛函數(shù)表中原來(lái)父類虛函數(shù)的位置。

2）沒(méi)有被覆蓋的函數(shù)依舊。

這樣，我們就可以看到對(duì)于下面這樣的程序，

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表（子類的虛函數(shù)表）的f()的位置已經(jīng)被Derive::f()函數(shù)地址所取代，于是在實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)，是Derive::f()被調(diào)用了。這就實(shí)現(xiàn)了多態(tài)。

（3）、多重繼承（無(wú)虛函數(shù)覆蓋）
下面，再讓我們來(lái)看看多重繼承中的情況，假設(shè)有下面這樣一個(gè)類的繼承關(guān)系。注意：子類并沒(méi)有覆蓋父類的函數(shù)。

對(duì)于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表，是下面這個(gè)樣子：

我們可以看到：

1） 每個(gè)父類都有自己的虛表。

2） 子類的成員函數(shù)被放到了第一個(gè)父類的表中。（所謂的第一個(gè)父類是按照聲明順序來(lái)判斷的）

這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個(gè)子類實(shí)例，而能夠調(diào)用到實(shí)際的函數(shù)。

（4）、多重繼承（有虛函數(shù)覆蓋）
下面我們?cè)賮?lái)看看，如果發(fā)生虛函數(shù)覆蓋的情況。

下圖中，我們?cè)谧宇愔懈采w了父類的f()函數(shù)。

下面是對(duì)于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表的圖：

我們可以看見(jiàn)，三個(gè)父類虛函數(shù)表中的f()的位置被替換成了子類的函數(shù)指針。這樣，我們就可以用任一個(gè)父類指針來(lái)指向子類，并調(diào)用子類的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()

3.安全性
每次寫C++的文章，總免不了要批判一下C++。這篇文章也不例外。通過(guò)上面的講述，相信我們對(duì)虛函數(shù)表有一個(gè)比較細(xì)致的了解了。水可載舟，亦可覆舟。下面，讓我們來(lái)看看我們可以用虛函數(shù)表來(lái)干點(diǎn)什么壞事吧。

嘗試1：通過(guò)父類型的指針（指向子類對(duì)象）訪問(wèn)子類自己的虛函數(shù)
我們知道，子類沒(méi)有重載父類的虛函數(shù)是一件毫無(wú)意義的事情。因?yàn)槎鄳B(tài)也是要基于函數(shù)重載的。雖然在上面的圖中我們可以看到子類的虛表中有Derive自己的虛函數(shù)，但我們根本不可能使用基類的指針來(lái)調(diào)用子類的自有虛函數(shù)：

Base1 *b1 = new Derive();

b1->f1(); //編譯出錯(cuò)

任何妄圖使用父類指針想調(diào)用子類中的未覆蓋父類的成員函數(shù)的行為都會(huì)被編譯器視為非法，所以，這樣的程序根本無(wú)法編譯通過(guò)。

但在運(yùn)行時(shí)，我們可以通過(guò)指針的方式訪問(wèn)虛函數(shù)表來(lái)達(dá)到違反C++語(yǔ)義的行為。

嘗試2：通過(guò)父類型的指針（指向子類對(duì)象）訪問(wèn)父類的non-public虛函數(shù)
另外，如果父類的虛函數(shù)是private或是protected的，但這些非public的虛函數(shù)同樣會(huì)存在于子類虛函數(shù)表中，所以我們同樣可以使用訪問(wèn)虛函數(shù)表的方式來(lái)訪問(wèn)這些non-public的虛函數(shù)，這是很容易做到的。

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();

}

4.總結(jié)

C++這門語(yǔ)言是一門Magic的語(yǔ)言，對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，我們似乎永遠(yuǎn)摸不清楚這門語(yǔ)言背著我們?cè)诟闪耸裁?。需要熟悉這門語(yǔ)言，我們就必需要了解C++里面的那些東西，需要去了解C++中那些危險(xiǎn)的東西。不然，這是一種搬起石頭砸自己腳的編程語(yǔ)言。

附錄一：VC中查看虛函數(shù)表
 
我們可以在VC的IDE環(huán)境中的Debug狀態(tài)下展開(kāi)類的實(shí)例就可以看到虛函數(shù)表了（并不是很完整的）

附錄 二：例程
下面是一個(gè)關(guān)于多重繼承的虛函數(shù)表訪問(wèn)的例程：

 
#include <iostream>
using namespace std;
 
class Base1 {
public:
      virtual void f() { cout << "Base1::f" << endl; }
      virtual void g() { cout << "Base1::g" << endl; }
      virtual void h() { cout << "Base1::h" << endl; }
 
};
 
class Base2 {
public:
      virtual void f() { cout << "Base2::f" << endl; }
      virtual void g() { cout << "Base2::g" << endl; }
      virtual void h() { cout << "Base2::h" << endl; }
};
 
class Base3 {
public:
      virtual void f() { cout << "Base3::f" << endl; }
      virtual void g() { cout << "Base3::g" << endl; }
      virtual void h() { cout << "Base3::h" << endl; }
};
 
 
class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
      virtual void f() { cout << "Derive::f" << endl; }
      virtual void g1() { cout << "Derive::g1" << endl; }
};
 
 
typedef void(*Fun)(void);
 
int main()
{
      Fun pFun = NULL;
 
      Derive d;
      int** pVtab = (int**)&d;
 
      //Base1's vtable
      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+0);
      pFun = (Fun)pVtab[0][0];
      pFun();
 
      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+1);
      pFun = (Fun)pVtab[0][1];
      pFun();
 
      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+2);
      pFun = (Fun)pVtab[0][2];
      pFun();
 
      //Derive's vtable
      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+3);
      pFun = (Fun)pVtab[0][3];
      pFun();
 
      //The tail of the vtable
      pFun = (Fun)pVtab[0][4];
      cout<<pFun<<endl;
 
 
      //Base2's vtable
      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);
      pFun = (Fun)pVtab[1][0];
      pFun();
 
      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);
      pFun = (Fun)pVtab[1][1];
      pFun();
 
      pFun = (Fun)pVtab[1][2];
      pFun();
 
      //The tail of the vtable
      pFun = (Fun)pVtab[1][3];
      cout<<pFun<<endl;
 
 
 
      //Base3's vtable
      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);
      pFun = (Fun)pVtab[2][0];
      pFun();
 
      //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);
      pFun = (Fun)pVtab[2][1];
      pFun();
 
      pFun = (Fun)pVtab[2][2];
      pFun();
 
      //The tail of the vtable
      pFun = (Fun)pVtab[2][3];
      cout<<pFun<<endl;
 
      return 0;
}

 以上就是關(guān)于C++虛函數(shù)及虛函數(shù)表的全部解析，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助。

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