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C++多态以及虚函数表实现原理
目录
1 定义
2 虚函数表实现原理
3 实例解析
3.1 定义父类
3.2 父类对象地址空间剖析
3.3 子类继承父类的虚函数表
3.3.1 单继承覆盖和不覆盖对比
3.3.2 子类继承多个父类
3.3.3 多层继承的子类
1 定义
C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，子类对象赋值给父类指针，然后通过父类的指针调用实际子类覆盖父类的虚函数实现。赋值不同的子类对象给父类指针，可以使用父类指针调用不同子类的虚函数（必须是覆盖父类的函数），这种技术可以让父类的指针有“多种形态”。
2 虚函数表实现原理
每个子类对象创建时，会有一个虚函数表，而且虚函数表在对象首地址开始，以达到高效访问的目的。一个子类继承多个父类时，子类对象的头部有多个虚函数表，把父类的虚函数表复制过来，按照继承顺序排列。如果子类覆盖了父类的虚函数，则替换掉复制过来的父类虚函数表中对应位置的虚函数。子类中的自定义虚函数，在第一个虚函数表中，排在父类虚函数后面（主流说法是这样，但是实际测试，并没有）。当用子类的对象赋值给父类指针时，父类指针指向了子类虚函数表，当调用函数时，就会从子类虚函数表中查找函数，去调用子类覆盖父类的虚函数，这样就实现了多态。
3 实例解析
3.1 定义父类
class Base {
public:
virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
int a=0;
};
3.2 父类对象地址空间剖析
创建一个对象Base b；
父类的虚函数表示意图为
虚函数表在对象地址首部，函数指针按照定义的顺序在虚函数表中，可以通过地址访问的方式去访问这些函数。
int main()
{
typedef void(*Fun)(void);
Base b;
cout << "虚函数表地址：" << (int*)(&b) << endl;
cout << "1" << *(int*)(&b) << endl;
cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
Fun funf = ((Fun)*((int*)*(int*)(&b) + 0));
Fun fung= ((Fun)*((int*)*(int*)(&b) + 1));
Fun funh= ((Fun)*((int*)*(int*)(&b) + 2));
funf();
fung();
funh();
system("pause");
return 0;
}
输出结果
b地址空间如下图所示：
理解下面一句是怎么获取到函数地址的。
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
(&b)获取到对象b的地址。
(int*)(&b))转化为int*的指针，对象b的前4个字节是虚函数表的地址，int* 也是四个字节，这种强制转换，是把&a开始的4个字节当作一个整体，也就是虚函数表的地址，虚函数表地址在对象地址空间首部。
*(int*)(&b)) *虚函数表地址，得到的是虚函数表的内存空间，虚函数表内存空间首部是虚函数f的地址，即Base::f（）的地址。
((int*)*(int*)(&b))在转换为int*类型的指针，就得到了四个字节的虚函数f的地址。f,g,h的地址各占四个字节，int*的指针+1，就是向后移动四个字节，得到g函数的地址，+2，就是再向后移动四个字节，得到h函数的地址。
*((int*)*(int*)(&b)) *虚函数地址，得到的是虚函数f的实际的存储空间。
(Fun)*((int*)*(int*)(&b));转换为函数指针。
思考：如果虚函数fgh是private私有的，那么通过这种方式仍然可以获取到私有函数的地址fgh，并且去访问这些私有函数。
3.3 子类继承父类的虚函数表
3.3.1 单继承覆盖和不覆盖对比
class Derver: public Base{
public:
virtual void f1() { cout << "Derver::f" << endl; }
virtual void g1() { cout << "Derver::g" << endl; }
virtual void h1() { cout << "Derver::h" << endl; }
};
查看无覆盖和有覆盖继承的情况，右边子类覆盖了父类的f函数。
无覆盖的子类对象地址空间。网上说父类虚函数在虚表前面，子类虚函数在后面
但是实际情况是虚函数表中只有父类虚函数，如下所示
有覆盖的子类对象地址空间，子类虚函数表的首位替换了子类覆盖的函数
虚函数表中是子类虚函数替换了父类虚函数的位置，也没有未覆盖的子类虚函数f1和g1。
总结：单继承的子类对象虚函数表中，只包含父类对象的虚函数和覆盖的子类虚函数，子类虚函数会替换掉对应位置的父类虚函数。子类自定义的虚函数不在虚函数表中。
3.3.2 子类继承多个父类
（1） 定义一个子类继承三个基类，继承关系如下图
代码实现
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 Mult :public Base1, public Base2,public Base3 {
public:
virtual void f() { cout << "Mult::f" << endl; }
virtual void g1() { cout << "Mult::g" << endl; }
};
class Grander :public Derver
{
public:
virtual void f1() { cout << "Grander::f" << endl; }
virtual void g1() { cout << "Grander::g1" << endl; }
};
（2） 查看子类对象的地址空间
如下图所示，子类对象空间有三个基类虚表，子类覆盖的函数f替换了虚表中对应的位置。子类自有的虚函数网上说是在第一个虚表后面。但是实际却没有。
如下图所示，是实际的地址空间，第一个虚表中并没有看到子类的虚函数g1.
总结：子类继承多个父类，子类对象中包含了三个父类的虚函数表，按照继承顺序排列。子类覆盖的虚函数会替换对应位置的三个父类虚函数。子类自定义的虚函数也不在虚函数表中。
3.3.3 多层继承的子类
子类Derver继承父类Base，然后Grander类继承Derver类。
代码实现如下
class Base {
private:
virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
int a = 0;
};
class Derver: public Base{
public:
virtual void f() { cout << "Derver::f" << endl; }
virtual void g1() { cout << "Derver::g1" << endl; }
virtual void h1() { cout << "Derver::h1" << endl; }
int d =1;
};
class Grander :public Derver
{
public:
virtual void f() { cout << "Grander::f" << endl; }
virtual void g1() { cout << "Grander::g1" << endl; }
};
内存虚表结构如下所示，只虚表中只有有Base类中函数Base::g(),Base::h()，还有覆盖的子类函数Grander::f()。其他的函数都没有。连覆盖Derver的Grander::g1()都没有。这是什么鬼？
总结：多层继承，子类对象的虚函数表中值包含Base类的虚函数，子类覆盖的虚函数替换掉对应位置的Base类虚函数。中间的Derver虚函数和Grander中自定义的虚函数不存在虚函数表中。
（1）基类Base指针指向对象Derver
Base* pB = new Derver();
得到的内存结构如下图所示
有两个虚拟表，虚函数表中地址相同，函数是基类的虚函数和Derver覆盖基类的虚函数。
（2）中间的指针Derver*指向孙类对象Grander
得到的虚表结构如下，虚函数是基类base虚函数和Grander覆盖基类的虚函数Grander::f();
Derver* pD = new Grander();
（3）基类Base指针指向孙类对象Grander
得到的虚函数表如下图所示
Base* pDG = new Grander();
总结：多层继承时，虚函数表中保存的是基类的虚函数Base和覆盖基类的虚函数。虚函数表会保留继承层级关系。会有两个虚函数表，表中的函数地址相同。