c++ 虚函数实现多态的原理

前面的文章说过了c++如何实现多态，最主要的就是使用虚函数，另一种方法就是RTTI，这里我们不做说明了。前面说过编译器是这样实现晚绑定的：编译器对每一个含有virtual函数的类创建一个虚函数表vtable，其实vtable就是一个函数指针数组，vtable中存放该类的类型信息和这个类所有的虚函数地址，而且在这个类中，编译器会隐含的设置一个指向这个虚函数表的虚拟指针vptr。每个类vptr的设定和重置是通过类的构造函数、析构函数和拷贝复制运算符自动完成。vtable中的type_info object就是支持RTTI的，一般放在vtable的第一个位置。看下面的一段含有继承关系的代码

class Base {
public:
Base();
virtual ~Base() {};
virtual void test() {
std::cout << "Base::test" << std::endl;
}

private:
int b_i;
};

class Derived : public Base {
public:
virtual void test() {
std::cout << "Derived::test" << std::endl;
}

private:
int d_i;
};

他们的对象在内存布局大概形式如图所示


若是没有虚函数时就不需要中间的vtable间接查找。其中vtable和type_info是放在内存的静态存储区的。vptr的初始化实在类的构造函数中完成，vptr的改写是在类的析构函数中完成。

使用 Base *b = new Derived;b->test();这种通过基类的引用或指针调用虚函数时，编译器先根据指针或引用的的静态类型来判断所调的虚函数是不是属于该类或者它的某个public基类，进行类型检查，然后改写虚函数调用语句，在本例中改写成如下形式

(*(b->vptr[2]))(b);			//b->test();

记住，vtable是函数指针数组，通过偏移量调用相应的函数。那是怎么调用到这个重写后的test虚函数呢？主要就在vtable的构造和b指针当前所指向的对象。在运行时刻，b指向的是Derived对象，而该对象的vptr指向的是Derived::vtable，这个vtable中存放的是改写后的虚函数地址，而不是Base的虚函数地址。这样就可以正确调用了。

由于调用的时候是根据vtable的偏移量决定，所以函数指针数组中的
虚函数指针排列顺序非常重要：

如果一个虚函数在类中是第一次出现，他在vtable中的地址是插入到最后。若果派生类改写了基类的虚函数，这个函数地址在派生类的vtable的位置要和基类中vtable一样（否则通过偏移量找到的不一定是重写的函数地址）。若派生类没有重写基类的虚函数只是单纯继承下来，虚函数在vtable中的位置和基类vtable位置一样。