C++虚函数表

前言

　　C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如：模板技术，RTTI技术，虚函数技术，要么是试图做到在编译时决议，要么试图做到运行时决议。

1.基本认识

　　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，主是要一个类的虚函数的地址表。C++的编译器应该是保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能——如果有多层继承或是多重继承的情况下）。 这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。

2.举例说明

　　case 1 无继承、单独类中的虚函数

//假设有这样一个类
class Base {
     public:
            virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
            virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
            virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
 
};

//按照如上描述进行调用
typedef void(*Fun)(void);
Base b;
Fun pFun = NULL; 
cout << "虚函数表地址：" << (int*)(&b) << endl;
cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
 
// Invoke the first virtual function 
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
pFun();

　　代码说明：通过强行把&b转成int *，取得虚函数表的地址，然后，再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了，也就是Base::f()，这在上面的程序中得到了验证（把int*强制转成了函数指针）。通过这个示例，我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()，其代码如下：

            (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0);  // Base::f()
            (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1);  // Base::g()
            (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2);  // Base::h()

　　注意：在上面这个图中，我在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符“/0”一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下，这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，这个值是如果1，表示还有下一个虚函数表，如果值是0，表示是最后一个虚函数表。

　　case 2 一般继承，无虚函数覆盖

　　类的关系如下：　　　　　　　　　　　　　　子类实例虚函数表情形如下：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　结论：

　　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。

　　case 3 一般继承，有虚函数覆盖

　　类的关系如下:　　　　　　　　　　　子类实例虚函数表情形如下：　

　　　　　　　　　　　　　　　　

　　结论:

　　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。

　　case 4 多重继承，无虚函数覆盖

　　类的关系如下：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　子类实例虚函数表情形如下：　

　　　　　　　　　　　　　　

　　结论：

　　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。

　　case 5 多重继承，有虚函数覆盖

　　类的关系如下：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　子类实例虚函数表情形如下：

　　　　　　　　　　　　

　　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()

3.关于"安全性"的几点说明

　　<3.1>通过父类型的指针访问子类自己的虚函数

　　　　　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

　　<3.2>访问non-public的虚函数

　　　　　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。

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();
}

附录一：VC中查看虚函数表

　　我们可以在VC的IDE环境中的Debug状态下展开类的实例就可以看到虚函数表了（并不是很完整的）

　　

附录二：下面是一个关于多重继承的虚函数表访问的例程：

#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;
}

 内容参考：http://blog.csdn.net/haoel/article/details/1948051