C++虚函数表解析

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概述

为了实现C++的多态，C++使用了一种动态绑定技术，该技术的核心就是虚函数表。
多态即使用同一段代码可以实现不同的行为；动态绑定即使用静态类型是基类的指针或引用调用虚函数，根据其动态类型的不同会导致调用不同版本（基类版本或派生类版本）的虚函数从而产生不同的行为。
下面剖析一下其中的奥秘。

虚函数表

每个包含虚函数的类中都存储着一个虚函数表，这是一个指针数组，每个元素对应一个指向虚函数的地址的指针。虚函数表是属于类的，而不是某个具体的对象，一个类的所有对象都使用这个虚函数表（类似于类的静态成员属于类而不是对象，但都可以共享）。为了达成此目的，每个对象在创建时内部保存着一个指向它的类的虚函数表的指针*_vptr。

假设有一个这样的类；

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class Base {
    public:
            virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }

            virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }

            virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
};

此时创建给一个Base的对象b，则b的内部具体实现：

下面看下在一般继承下虚函数表是什么样子的。
假设存在一个继承关系：

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class Derived : public Base{
    public:
            virtual void f1() { cout << "Derived::f1" << endl; }

            virtual void g1() { cout << "Derived::g1" << endl; }

            virtual void h1() { cout << "Derived::h1" << endl; }
}

在这个继承关系中，派生类没有覆盖基类的任何函数，那么它的虚函数表为：

可以看出：
1）虚函数按照其声明顺序放于表中。
2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。

如果派生类覆盖了基类的虚函数实现，比如这个继承关系：

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class Derived : public Base{
    public:
            virtual void f() { cout << "Derived::f1" << endl; }

            virtual void g1() { cout << "Derived::g1" << endl; }

            virtual void h1() { cout << "Derived::h1" << endl; }
}

那么该派生类的内部实现就是这样子的：

可以看出
1）覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。
2）没有被覆盖的函数依旧。
这样一来，对于这样的代码：

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Base *b = new Derive();
b.f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

在多重继承中，假设这样的一组继承关系：

如果派生类没有覆盖基类的虚函数，那么子派生类的虚函数表为：

可以看到：
1） 每个父类都有自己的虚表。
2） 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）
这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。

如果多重继承有虚函数覆盖的情况：

则派生类的虚函数表是这样的：

可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。

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Derive d;
Base1 *b1 = &d;
Base2 *b2 = &d;
Base3 *b3 = &d;
b1.f();    //Derive::f()
b2.f();    //Derive::f()
b3.f();    //Derive::f()
b1.g();    //Base1::g()
b2.g();    //Base2::g()
b3.g();    //Base3::g()

参考博客：
blog1
blog2