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18.6 - 虚函数表

Key Takeaway

为了实现虚函数，C++ 使用了一种称为虚表的特殊形式的后期绑定。虚表是一个函数查找表，用于以动态/后期绑定方式解析函数调用。虚表有时也称为 “vtable”、“虚函数表”、“虚方法表”或“调度表”。

因为使用虚函数并不需要了解虚表的工作方式，所以可以将本节视为选修

虚表实际上非常简单，不过用语言描述有点复杂。首先，每个使用虚函数的类(或从使用虚函数的类派生而来的类)都有自己的虚表。这个表只是编译器在编译时设置的一个静态数组。虚表为类的对象调用的每个虚函数都包含一个条目。该表中的每个条目都只是一个函数指针，指向该类可访问的最后派生（most-derived）的函数。

其次，编译器还会添加一个隐藏的指针作为基类成员，称为*__vptr。 *__vptr 会在类对象创建时被自动设置，使其指向该类的虚表。和 *this 指针不同的是，*this指针是一个函数参数，用于编译器解析自引用。而 *__vptr 是一个实际的指针。因此，所有具有该指针的对象需要多分配一个指针大小的内存。不仅如此，*__vptr 还会和其他成员一样被派生继承，这一点非常重要。

但就目前来说，你可能还不知道这些东西是如何组合在一起使用的，所以让我们看一个简单的例子:

class Base
{
public:
    virtual void function1() {};
    virtual void function2() {};
};

class D1: public Base
{
public:
    void function1() override {};
};

class D2: public Base
{
public:
    void function2() override {};
};

例子中有三个类，编译器会创建三个虚表：Base、D1、D2各一个。

编译器还向使用虚函数的最基类添加一个隐藏指针成员。尽管编译器会自动执行此操作，但我们将把它放在下一个示例中，只是为了显示添加它的位置：

class Base
{
public:
    VirtualTable* __vptr;//自动添加的
    virtual void function1() {};
    virtual void function2() {};
};

class D1: public Base
{
public:
    void function1() override {};
};

class D2: public Base
{
public:
    void function2() override {};
};

当一个类对象被创建时，*__vptr被设置为指向该类的虚表。例如，当Base类型的对象创建时，*__vptr 指向Base的虚表、当 D1 或 D2 构建时，*__vptr 则分别指向 D1 或 D2 的虚表。

现在，让我们讨论一下如何填充这些虚拟表。因为这里只有两个虚函数，每个虚表将有两个条目(一个用于function1()，一个用于function2()))。请记住，在填写这些虚表时，每个条目都用该类类型的对象可以调用的最后派生的函数填写。

Base 对象的虚表很简单，任何Base对象都只能访问Base的成员，而不能访问 D1 或者 D2 。这样一来，虚表中条目function1 指向Base::function1() 并且 function2 指向 Base::function2().

D1 的虚表稍微复杂一些。D1 类型的对象可以访问 D1 和 Base的成员，D1 重写了 function1()，使得 D1::function1() 相较于 Base::function1()是更晚被派生的函数。因此，function1 指向 D1::function1()。因为 D1 没有重写 function2()，所以条目 function2 指向Base::function2()。

D2 的虚表类似于 D1 的虚表。只不过 function1 指向 Base::function1()而 function2 指向 D2::function2()。

Here’s a picture of this graphically:

尽管看上去有些复杂，每个类的*__vptr都指向该类的虚表，虚表的条目指向该对象能够调用的最后被派生的函数。

考虑一下当我们创建一个D1类型的对象时会发生什么:

int main()
{
    D1 d1;
}

因为 d1 是一个 D1 对象，d1 的 *__vptr 指向 D1 的虚表。

现在，创建一个指向D1的基类指针：

int main()
{
    D1 d1;
    Base* dPtr = &d1;

    return 0;
}

因为dPtr 是一个基类指针，所以它指向的是d1中的Base部分。不过，由于 __vptr 位于Base部分，所以dPtr 是可以访问该指针的。最终，一定要注意 dPtr->__vptr 指向的是 D1 的虚表！因此，即使dPtr 是Base类型指针，它仍然能够访问 D1’的虚表(通过 __vptr)。

那么，当我们尝试调用dPtr->function1()时会发生什么？

int main()
{
    D1 d1;
    Base* dPtr = &d1;
    dPtr->function1();

    return 0;
}

首先，程序识别到 function1() 是一个虚函数。其次，程序使用 dPtr->__vptr 获取 D1 的虚函数表。然后，它会在虚表中查找 function1() 对应的版本——即 D1::function1()。因此 dPtr->function1() 会解析为 D1::function1()！

你可能会有这样的疑问：“如果 dPtr 指向的是一个Base类的对象，而不是 D1 类型的对象会怎样？它仍然会调用D1::function1()吗？答案是否定的。

int main()
{
    Base b;
    Base* bPtr = &b;//指向一个Base对象
    bPtr->function1();

    return 0;
}

在这个例子中，b 被创建后， __vptr 就被指向了Base的虚表而不是D1的虚表。这样一来，bPtr->__vptr 也同样指向Base的虚表。Base虚表的function1() 条目指向 Base::function1()。因此 bPtr->function1() 解析到 Base::function1()，因为它是能看到的最后派生的函数。

通过使用这些表，编译器和程序能够确保函数调用解析为适当的虚函数，即使你只使用指向基类的指针或引用！

调用虚函数比调用非虚函数要慢，这有几个原因：首先，我们必须使用*__vptr来获得适当的虚表。其次，我们必须对虚拟表建立索引，以找到要调用的函数。因此，我们必须执行3个操作才能找到要调用的函数，而普通的间接函数调用则需要执行2个操作，直接函数调用则需要执行1个操作。然而，在现代计算机中，这增加的时间通常是相当微不足道的。

另外需要提醒的是，任何使用虚函数的类都有*__vptr ，因此该类的每个对象都将增加一个指针。虚函数功能强大，但它们确实有性能代价。