虚函数表 - C++教程 | 魏明择的官方网站

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7. 虚函数表

虚函数表 （又称虚表）是 C++ 编译器为实现运行时多态而建立的一张查找表，此查找表记录是记录该类对象的所有虚成员函数地址的表。

虚函数表是一个函数指针的数组，每个指针都指向他的虚成员函数。

虚函数表由 C++ 编译器在编译期间确定，并在运行时保存于内存中，当创建含有虚函数的对象时，对象内存的起始地址会存放一个（或多个）指针指向这个虚函数表。

虚函数表是 C++ 实现运行时多态的基础。

说明

在单继承的对象中，一个类可以有多个虚函数，但虚函数表的指针只有一个。
C++ 是使用虚函数表实现的多态，如果一个类有虚成员函数，则此类对象的起始地址是一个虚函数表指针，指向对象的类型对相应的虚函数表。

示例1

没有虚函数表的类创建的对象的内存结构分析

// filename: vtable1.cpp
#include <iostream>

using namespace std;

// 点类(描述一个点的位置，面积等信息)
class Point {
    public:
        Point(float ax=0, float ay=0):x(ax), y(ay) { }
        // 定义为普通成员函数
        void info(void) {
            cout << "点(" << x << "," << y << ")\n";
        }
        void moveTo(float new_x, float new_y) {
            x = new_x; y = new_y;
        }
        // 定义为普通成员函数
        float getArea(void) {
            return 0;
        }
    public:
        float x;
        float y;
};
// 圆类(描述圆的位置、半径、面积等信息）
class Circle : public Point {
    public:
        Circle(float ax, float ay, float radius)
            : Point(ax, ay), r(radius) { }
        void info(void) {  // 子类的此函数也为虚函数
            cout << "圆(" << x << "," << y << "," << r << ")\n";
        }
        float getArea(void) {
            return 3.14*r*r;
        }
    public:
        float r; // 半径
};

int main(int argc, char * argv[]) {
    Point p1(1, 2);
    Circle c1(3, 4, 5);
    Point * p = &c1;

    cout << "sizeof(p1):" << sizeof(p1) << endl;
    cout << "sizeof(c1):" << sizeof(c1) << endl;
    p->info();

    return 0;
}

编译和运行结果如下:

weimz@mzstudio:~$ g++ -o vtable1 vtable1.cpp
weimz@mzstudio:~$ ./vtable1 
sizeof(p1):8
sizeof(c1):12
点(3,4)

指针 p 的类型是 Point*，它执行 Circle 类型的对象 c1，因为 Point::info() 不是虚函数，因此 p->info() 会根据 p 的类型来确定执行 Point::info() 函数。

内存结构分析

此时 p1 和 c1 两个对象的内存结构如下:

点 p1 的内存结构
+--------+
|  x: 1  |
|  y: 2  |
+--------+

圆 c1 的内存结构
+--------+
|  x: 3  |
|  y: 4  |
|  r: 5  |
+--------+

示例2

将 void Point::info() 成员函数声明为虚函数，查看运行结果并分析内存结构，代码修改如下：

// filename: vtable2.cpp
#include <iostream>

using namespace std;

// 点类(描述一个点的位置，面积等信息)
class Point {
    public:
        Point(float ax=0, float ay=0):x(ax), y(ay) { }
        // 定义为虚函数
        virtual void info(void) {
            cout << "点(" << x << "," << y << ")\n";
        }
        void moveTo(float new_x, float new_y) {
            x = new_x; y = new_y;
        }
        float getArea(void) {
            return 0;
        }
    public:
        float x;
        float y;
};
// 圆类(描述圆的位置、半径、面积等信息）
class Circle : public Point {
    public:
        Circle(float ax, float ay, float radius)
            : Point(ax, ay), r(radius) { }
        void info(void) {  // 子类的此函数也为虚函数
            cout << "圆(" << x << "," << y << "," << r << ")\n";
        }
        float getArea(void) {
            return 3.14*r*r;
        }
    public:
        float r; // 半径
};

int main(int argc, char * argv[]) {
    Point p1(1, 2);
    Circle c1(3, 4, 5);
    Point * p = &c1;

    cout << "sizeof(p1):" << sizeof(p1) << endl;
    cout << "sizeof(c1):" << sizeof(c1) << endl;
    p->info();
    cout << "p->getArea() 返回结果:" << p->getArea() << endl;

    return 0;
}

编译和运行结果如下:

weimz@mzstudio:~$ g++ -o vtable2 vtable2.cpp
weimz@mzstudio:~$ ./vtable2 
sizeof(p1):16
sizeof(c1):24
p->getArea() 返回结果:0
圆(3,4,5)

从运行结果可以看出， p1 和 p2 两个对象的内存结构变大。p->getArea() 依旧调用 Point::getAear() 成员函数，而 p->info() 则调用 Circle::info() 这个虚函数。

内存结构分析

此时 p1 和 c1 两个对象的内存结构如下:

点 p1 的内存结构    虚表
+--------+      +--------+
| __vptr | ---> |   [0]  | --->  "void Point::info()"
|  x: 1  |      +--------+
|  y: 2  |
|  r: 5  |
+--------+

圆 c1 的内存结构    虚表
+--------+      +--------+
| __vptr | ---> |   [0]  | --->  "void Circle::info()"
|  x: 3  |      +--------+
|  y: 4  |
|  r: 5  |
+--------+

示例3

将 void Point::info() 和 float Point::getArea(void) 两个成员函数都声明为虚函数，查看运行结果并分析内存结构。

// filename: vtable3.cpp
#include <iostream>

using namespace std;

// 点类(描述一个点的位置，面积等信息)
class Point {
    public:
        Point(float ax=0, float ay=0):x(ax), y(ay) { }
        // 定义为虚函数
        virtual void info(void) {
            cout << "点(" << x << "," << y << ")\n";
        }
        void moveTo(float new_x, float new_y) {
            x = new_x; y = new_y;
        }
        // 定义为虚函数
        virtual float getArea(void) {
            return 0;
        }
    public:
        float x;
        float y;
};
// 圆类(描述圆的位置、半径、面积等信息）
class Circle : public Point {
    public:
        Circle(float ax, float ay, float radius)
            : Point(ax, ay), r(radius) { }
        void info(void) {  // 子类的此函数也为虚函数
            cout << "圆(" << x << "," << y << "," << r << ")\n";
        }
        float getArea(void) {
            return 3.14*r*r;
        }
    public:
        float r; // 半径
};

int main(int argc, char * argv[]) {
    Point p1(1, 2);
    Circle c1(3, 4, 5);
    Point * p = &c1;

    cout << "sizeof(p1):" << sizeof(p1) << endl;
    cout << "sizeof(c1):" << sizeof(c1) << endl;
    p->info();
    cout << "p->getArea() 返回结果:" << p->getArea() << endl;

    return 0;
}

编译和运行结果如下:

weimz@mzstudio:~$ g++ -o vtable3 vtable3.cpp
weimz@mzstudio:~$ ./vtable3 
sizeof(p1):16
sizeof(c1):24
圆(3,4,5)
p->getArea() 返回结果:78.5

从运行结果可以看出， p->getArea() 调用 Circle::getAear() 成员函数，且 p->info() 也调用 Circle::info() 这个虚函数。

内存结构分析

此时 p1 和 c1 两个对象的内存结构如下:

点 p1 的内存结构    虚表
+--------+      +--------+
| __vptr | ---> |   [0]  | --->  "void Point::info()"
|  x: 1  |      |   [1]  | --->  "float Point::getArea()"
|  y: 2  |      +--------+
|  r: 5  |
+--------+

圆 c1 的内存结构    虚表
+--------+      +--------+
| __vptr | ---> |   [0]  | --->  "void Circle::info()"
|  x: 3  |      |   [1]  | --->  "float Circle::getArea()"
|  y: 4  |      +--------+
|  r: 5  |
+--------+

← 6. 多态 8. 纯虚函数和抽象类 →