【C++】虚函数指针和虚函数列表
本篇文章主要来讲述，C++多态的实现原理，也就是虚函数和虚函数列表是怎么回事？它们是如何实现多态的？
- 虚函数概述：
首先，C++多态的实现是通过关键字virtual，有了这个关键字之后，通过继承的关系就可以在程序运行时，使用子类的函数替换掉父类的函数，达到多态的作用。
C++实现虚函数的方法：为每个类对象添加一个隐藏成员，隐藏成员保存了一个指针，这个指针叫虚表指针（vptr），它指向一个虚函数表(virtual function table, vtbl)(备注：一个类对象一个虚指针，一个类对应一个虚函数列表)。
虚函数表就像一个数组，表中有许多的槽（slot），每个槽中存放的是一个虚函数的地址（可以理解为数组里存放着指向每个虚函数的指针）。如下所示：
说明：
1.虚函数列表中的最后一个.表示的是虚函数列表的结束符，类似于字符串的/0。
2.虚函数指针往往是在类对象的第一个元素。
3.对于派生类而言，如果派生类实现了基类中的虚函数，在派生类的虚函数列表中，对应的虚函数会被替换成派生类的这个函数地址。
- 单继承的多态实例分析
例子：
#include <iostream>using namespace std;
class Base {public: virtual void f(); virtual void print();};void Base::f() { cout<<"Base f() ."<<endl;}void Base::print() { cout<< "Base print() ."<<endl;}class Derive :public Base{public: void f1(); virtual void print();};void Derive::f1() { cout<<"Derive f1() ."<<endl;}void Derive::print() { cout<< "Derive print() ."<<endl;}typedef void(*Fun)(void);int main() { Base b; cout << "b:虚函数表的地址：" << (int*)(&b) << endl; for(int i = 0; i < 2; i++){ unsigned long* vtbl = (unsigned long*)(*(unsigned long*)&b) + i; cout << "b:虚函数表的第"<<i<<"个函数地址：" << vtbl << endl; Fun pFun = (Fun) *(vtbl); pFun(); } Base b1; cout << "b1:虚函数表的地址：" << (int*)(&b1) << endl; for(int i = 0; i < 2; i++){ unsigned long* vtbl = (unsigned long*)(*(unsigned long*)&b1) + i; cout << "b1:虚函数表的第"<<i<<"个函数地址：" << vtbl << endl; Fun pFun = (Fun) *(vtbl); pFun(); } Derive d; cout << "d:虚函数表的地址：" << (int*)(&d) << endl; for(int i = 0; i < 2; i++){ unsigned long* vtbl = (unsigned long*)(*(unsigned long*)&d) + i; cout << "d:虚函数表的第"<<i<<"个函数地址：" << vtbl << endl; Fun pFun = (Fun) *(vtbl); pFun(); } return 0;}输出结果:
b:虚函数表的地址：0x7fffd27d5e70 // 1. 对象b对应的虚指针b:虚函数表的第0个函数地址：0x400f10 // 这里是对象b对应的虚函数列表首地址Base f() .b:虚函数表的第1个函数地址：0x400f18Base print() .b1:虚函数表的地址：0x7fffd27d5e80 // 2. 对象b1对应的虚指针b1:虚函数表的第0个函数地址：0x400f10 // 这里是对象b1对应的虚函数列表首地址Base f() .b1:虚函数表的第1个函数地址：0x400f18Base print() .d:虚函数表的地址：0x7fffd27d5e90 // 3. 对象d对应的虚指针d:虚函数表的第0个函数地址：0x400ef0 // 这里是对象d对应的虚函数列表首地址Base f() .d:虚函数表的第1个函数地址：0x400ef8Derive print() .运行结果分析：
1. 虚指针是跟对象绑定的，每一个类对象会对应一个虚指针，这个原因应该是虚指针是作为类的一个数据存储的导致的。例子参考 Base b和b1两个对象的虚指针地址，明显是不相同的。
2. 虚函数列表跟类是绑定的，每一个类会生成一个虚函数列表的地址，应该是存储在全局数据区。
3. 基类的虚函数列表和继承类的虚函数列表是两个，是不相同的，继承类的虚函数列表中存储的是继承类的虚函数实现，如果继承类没有实现基类的虚函数的话，会存储基类的虚函数地址。例子参见继承类的执行结果。
- 多继承的多态实例分析
例子：
#include <iostream>using namespace std;
class Base {public: virtual void f(); virtual void print();};void Base::f() { cout<<"Base f() ."<<endl;}void Base::print() { cout<< "Base print() ."<<endl;}class Base1 {public: virtual void f1(); virtual void print();};void Base1::f1() { cout<<"Base1 f() ."<<endl;}void Base1::print() { cout<< "Base1 print() ."<<endl;}class Derive :public Base,public Base1{public: virtual void f(); virtual void f1();};void Derive::f() { cout<<"Derive f() ."<<endl;}void Derive::f1() { cout<<"Derive f1() ."<<endl;}
typedef void(*Fun)(void);int main() { void *p; Derive d; cout<<"d中虚指针数量:"<<sizeof(d)/sizeof(p)<<endl; unsigned long** vtbl = (unsigned long**)(&d); cout << "d:虚函数表的地址：" << (int*)(&d) << endl; for(int i = 0; i < 2; i++){ for (int j = 0; j< 2; j++) { cout << "d:虚函数表的第["<<i<<"]["<<j<<"]个函数地址：" << &vtbl[i][j] << endl; Fun pFun = (Fun) (vtbl[i][j]); pFun(); } } return 0;}输出结果：
d中虚指针数量:2 // 1. 这里可以看出是2个虚函数指针，对应于基类数量d:虚函数表的地址：0x7fff5934cc80d:虚函数表的第[0][0]个函数地址：0x400e90 // 2.第一个基类的虚函数表首地址Derive f() .d:虚函数表的第[0][1]个函数地址：0x400e98Base print() .d:虚函数表的第[1][0]个函数地址：0x400eb8 // 3.第二个基类的虚函数首地址Derive f1() .d:虚函数表的第[1][1]个函数地址：0x400ec0Base1 print() .执行结果分析：
通过上面执行结果，我们可以看出多继承的情况下，继承类对象中的虚函数指针个数是虚基类的数量。同样，如果继承类实现了虚基类中的虚函数的话，会被替换成继承类中实现的函数。
- C++多态的副作用
C++采用虚函数和虚函数列表的方式来实现多态，确实给我们带来了很大的好处，让我们可以在不改变代码的时候，就能直接替换成运行的继承类的函数。
同样这种实现策略，却也带来了隐患，我们可以通过上面例子的方式来访问基类所有的虚函数，就算这个人虚函数被设置成了private也不行，所以让C++的封装行遭到了破坏。
（友情说明：Go语言系列一周会出1到2篇文章，并没有停止更新；C++最近有些囤货，尽量一天一篇文章。）