C++对象模型之虚函数实现原理

在C++中，多态（polymorphism）的意思是，用基类的指针或者引用，寻址出一个派生类对象。而虚函数（virtual member function）是多态的基础，这也是面向对象编程迷人之处。现在刚好有时间，就写一下自己对C++在单一继承情况下如何实现虚函数的肤浅认识。

一旦一个类有一个虚函数，那么一定会建立一个虚表（virtual table），虚表里面有所有虚函数的地址。虚表是该类所有对象共享的，每个对象都有一个虚指针（vptr），指向虚表。虚指针的设定与重置，是由类的构造函数与析构函数以及复制运算符（copy assignment）自动完成的。

虚表是虚函数的基础。表格有很多槽（slot），通常第一个槽位存放的是每一个类所关联的类型信息（type_info object），用来支持运行时类型识别（RTTI）。

class Demo{
public:
Demo();
virtual ~Demo();
virtual void f1();
virtual void f2();
void f3();
static void f4();
private:
static int ival;
long lval;
};

图1 Demo类的对象内存布局

每个对象内部都会存储非静态成员变量以及虚指针，其它成员都会在对象外部存储，这些不是这次要讨论的内容。

在C++中，虚函数在编译器间获知，而且这些虚函数的地址是固定不变的，执行期不可能新增或者被替换。为了找到函数的地址，每一个虚函数都会有一个在虚表里面的索引号。

如果继承基类的过程中，派生类决定不改写某个虚函数，那么它就会继承基类这个函数的实体（定义），此时，在这个派生类的虚表中存放的就是基类的该函数。否则，如果派生类重写了基类的某个虚函数，那么派生类的虚表中存放的就会是对此虚函数重新定义的实体。如下图所示。

class Base{
public:
virtual void x();
virtual void y();
int ival;
};
//单一继承
class Derived: public Base{
public:
void x();
virtual void z();
long lval;
};

图2 单一继承情况下的虚表

特别要注意的是：

1）如果是继承基类声明的虚函数实体，那么该函数实体就会被拷贝到派生类虚表相对应的槽位上。

2）如果是使用自己的函数实体，也就是改写基类的虚函数，那么也必须把这个函数实体地址放到相对应的槽位上。

3）如果是新增加一个虚函数，那么虚表就会增加一个slot，并把新的虚函数实体放进这里。

所以，假设对于上面的例子，我们有这样的用法：

ptr->x();

我们不知道ptr是Base还是Dervied指针，也就无法由ptr取得该对象的虚表，但是，我知道每一个x()函数的地址都会放在#1槽位上，所以，编译器会将该调用转换成

(*ptr->vptr[1])(ptr);

上面的表达式中，唯一需要在执行期才能知道的东西是，槽位1是哪个类虚表的，一旦知道了，那么便可调用相应的函数体了。

就写到这。

多重继承与虚拟继承下，虚函数的实现就没那么容易了。下次有空写一下。