C++学习之虚函数表与多态详解

概述

C++的多态在不同环境下实现方式可能不一样，虚函数表是C++实现多态的一种方式。

问题:

• 什么情况下C++会使用虚指针和虚函数表？
• 如果子类不新增任何虚函数，也不重写父类的虚方法，会和父类共用一张虚函数表么？
• 父类的构造函数为什么不能正确的调用虚函数？

C++虚函数表指针和虚函数表

创建一个Base类

class Base
{
public:
	int a;
	int b;
};

查看Base内存布局

1>class Base size(8):
1> +---
1> 0 | a
1> 4 | b
1> +---

为Base类添加一个虚函数

class Base
{
public:
	int a;
	int b;

	virtual void BaseFunc1()
	{
		std::cout << "Call BaseFunc1 From Base" << std::endl;
	};
};

此时再查看Base类的内存布局

1>class Base size(12):
1> +---
1> 0 | {vfptr}
1> 4 | a
1> 8 | b
1> +---
1>Base::$vftable@:
1> | &Base_meta
1> | 0
1> 0 | &Base::BaseFunc1
1>Base::BaseFunc1 this adjustor: 0

Base类含有虚函数时,.rodata只读数据区会生成一个虚函数表，Base类会生成一个指向该虚函数表的指针成员变量。虚函数表存放.text代码区函数的地址。

再为Base添加一个虚函数

class Base
{
public:
	int a;
	int b;

	virtual void BaseFunc1()
	{
		std::cout << "Call BaseFunc1 From Base" << std::endl;
	};
	
	virtual void BaseFunc2()
	{
		std::cout << "Call BaseFunc2 From Base" << std::endl;
	}
};

查看Base类的内存分布

1>class Base size(12):
1> +---
1> 0 | {vfptr}
1> 4 | a
1> 8 | b
1> +---
1>Base::$vftable@:
1> | &Base_meta
1> | 0
1> 0 | &Base::BaseFunc1
1> 1 | &Base::BaseFunc2
1>Base::BaseFunc1 this adjustor: 0
1>Base::BaseFunc2 this adjustor: 0

Base类的虚函数表增加了一个新函数地址。

C++ 虚函数表和多态

为Base创建一个派生类Devire

class Derive : public Base
{
	//
};

查看Derive类的内存分布

1>class Derive size(12):
1> +---
1> 0 | +--- (base class Base)
1> 0 | | {vfptr}
1> 4 | | a
1> 8 | | b
1> | +---
1> +---
1>Derive::$vftable@:
1> | &Derive_meta
1> | 0
1> 0 | &Base::BaseFunc1
1> 1 | &Base::BaseFunc2

虚函数表的内容和父类Base一样

查看Base和Derive的虚函数表地址

Base和Derive并非公用一张虚函数表。

Derive重写父类Base的方法

class Derive : public Base
{
public:
	virtual void BaseFunc1() override
	{
		std::cout << "Call BaseFunc1 From Derive" << std::endl;
	}
};

查看Derive类的内存分布

1>class Derive size(12):
1> +---
1> 0 | +--- (base class Base)
1> 0 | | {vfptr}
1> 4 | | a
1> 8 | | b
1> | +---
1> +---
1>Derive::$vftable@:
1> | &Derive_meta
1> | 0
1> 0 | &Derive::BaseFunc1
1> 1 | &Base::BaseFunc2
1>Derive::BaseFunc1 this adjustor: 0

此时虚函数表的0元素被替换成了Derive::BaseFunc1的地址。

为Derive添加一个新的虚函数

class Derive : public Base
{
public:
	virtual void BaseFunc1() override
	{
		std::cout << "Call BaseFunc1 From Derive" << std::endl;
	}

	virtual void DeriveFunc1()
	{
		std::cout << "Call DeriveFunc1" << std::endl;
	}
};

再查看Derive类的内存分布

1>class Derive size(12):
1> +---
1> 0 | +--- (base class Base)
1> 0 | | {vfptr}
1> 4 | | a
1> 8 | | b
1> | +---
1> +---
1>Derive::$vftable@:
1> | &Derive_meta
1> | 0
1> 0 | &Derive::BaseFunc1
1> 1 | &Base::BaseFunc2
1> 2 | &Derive::DeriveFunc1
1>Derive::BaseFunc1 this adjustor: 0
1>Derive::DeriveFunc1 this adjustor: 0

Derive的虚函数表添加了一个新的函数地址。

让父类Base在构造函数中调用虚函数BaseFunc1。

class Base
{
public:
	Base()
	{
		BaseFunc1()；
	}
	int a;
	int b;

	virtual void BaseFunc1()
	{
		std::cout << "Call BaseFunc1 From Base" << std::endl;
	};

	virtual void BaseFunc2()
	{
		std::cout << "Call BaseFunc2 From Base" << std::endl;
	}
};

class Derive : public Base
{
public:
	virtual void BaseFunc1() override
	{
		std::cout << "Call BaseFunc1 From Derive" << std::endl;
	}

	virtual void DeriveFunc1()
	{
		std::cout << "Call DeriveFunc1" << std::endl;
	}
};

int main()
{
	Derive d;
	return 0;
}

输出

Call BaseFunc1 From Base

虚函数的调用是错误的。

查看Derive和Base的构造函数的汇编代码

Base 构造函数汇编代码

...
00641F4D mov dword ptr [eax],offset Base::`vftable' (0649B34h)
{
BaseFunc1();
00641F53 mov ecx,dword ptr [this]
00641F56 call Base::BaseFunc1 (0641488h)
}
00641F5B mov eax,dword ptr [this]
...

Derive 构造函数的汇编代码

...
0064220A mov ecx,dword ptr [this]
0064220D call Base::Base (06412B2h)
{
00642212 mov eax,dword ptr [this]
00642215 mov dword ptr [eax],offset Derive::`vftable' (0649B40h)
//
}
...

观察汇编代码可知，构造Devire类的对象时，当调用父类Base的构造函数时，此时虚指针指向的虚函数表是父类Base的，只有调用Derive自己的构造函数时，虚指针被赋值为Derive的虚函数表，所以父类的构造函数不能正确的调用虚函数。

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