【C++快速上手】八、C++虚函数的vptr与vtable学习笔记
【摘要】
一、基础理论
为了实现虚函数，C ++使用一种称为虚拟表的特殊形式的后期绑定。该虚拟表是用于解决在动态/后期绑定方式的函数调用函数的查找表。虚拟表有时会使用其他名称，例如“vtable”，“虚函数表”，...
一、基础理论
为了实现虚函数，C ++使用一种称为虚拟表的特殊形式的后期绑定。该虚拟表是用于解决在动态/后期绑定方式的函数调用函数的查找表。虚拟表有时会使用其他名称，例如“vtable”，“虚函数表”，“虚方法表”或“调度表”。
虚拟表实际上非常简单，虽然用文字描述有点复杂。
- 首先，每个使用虚函数的类（或者从使用虚函数的类派生）都有自己的虚拟表（
vtable）。该表只是编译器在编译时设置的静态数组。虚拟表包含可由类的对象调用的每个虚函数的一个条目。此表中的每个条目只是一个函数指针，指向该类可访问的派生函数。 - 其次，编译器还会添加一个隐藏指向基类的指针，我们称之为
vptr。vptr在创建类实例时自动设置，以便指向该类的虚拟表。与this指针不同，this指针实际上是编译器用来解析自引用的函数参数，vptr是一个真正的指针。
因此，它使每个类对象的分配大一个指针的大小。这也意味着vptr由派生类继承，这很重要。
二、实现与内部结构
下面来看自动操纵vptr来获取地址与调用虚函数！开始看代码之前，为了方便理解，这里给出调用图：
#include <iostream>
#include <stdio.h>
using namespace std;
/**
* @brief 函数指针
*/
typedef void (*Fun)();
/**
* @brief 基类
*/
class Base
{
public:
Base(){};
virtual void fun1()
{
cout << "Base::fun1()" << endl;
}
virtual void fun2()
{
cout << "Base::fun2()" << endl;
}
virtual void fun3(){}
~Base(){};
};
/**
* @brief 派生类
*/
class Derived: public Base
{
public:
Derived(){};
void fun1()
{
cout << "Derived::fun1()" << endl;
}
void fun2()
{
cout << "Derived::fun2()" << endl;
}
~Derived(){};
};
/**
* @brief 获取vptr地址与func地址,vptr指向的是一块内存，这块内存存放的是虚函数地址，这块内存就是我们所说的虚函数表
*
* @param obj
* @param offset
*
* @return
*/
Fun getAddr(void* obj,unsigned int offset)
{
cout<<"======================="<<endl;
void* vptr_addr = (void *)*(unsigned long *)obj; //64位操作系统，占8字节，通过*(unsigned long *)obj取出前8字节，即vptr指针
printf("vptr_addr:%p\n",vptr_addr);
/**
* @brief 通过vptr指针访问虚函数表，因为虚函数表中每个元素(虚函数指针)在64位编译器下是8个字节，因此通过*(unsigned long *)vptr_addr取出前8字节，
* 后面加上偏移量就是每个函数的地址！
*/
void* func_addr = (void *)*((unsigned long *)vptr_addr+offset);
printf("func_addr:%p\n",func_addr);
return (Fun)func_addr;
}
int main(void)
{
Base ptr; // 基类实例
Derived d; // 派生类实例
Base *pt = new Derived(); // 基类指针指向派生类实例
Base &pp = ptr; // 基类引用指向基类实例
Base &p = d; // 基类引用指向派生类实例
cout<<"基类对象直接调用"<<endl;
ptr.fun1();
cout<<"基类对象调用基类实例"<<endl;
pp.fun1();
cout<<"基类指针指向派生类实例并调用虚函数"<<endl;
pt->fun1();
cout<<"基类引用指向派生类实例并调用虚函数"<<endl;
p.fun1();
// 手动查找vptr 和 vtable
Fun f1 = getAddr(pt, 0);
(*f1)();
Fun f2 = getAddr(pt, 1);
(*f2)();
delete pt;
return 0;
}
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输出结果如下：
基类对象直接调用
Base::fun1()
基类对象调用基类实例
Base::fun1()
基类指针指向派生类实例并调用虚函数
Derived::fun1()
基类引用指向派生类实例并调用虚函数
Derived::fun1()
=======================
vptr_addr:00000000004099e0
func_addr:0000000000407e10
Derived::fun1()
=======================
vptr_addr:00000000004099e0
func_addr:0000000000000000
Derived::fun2()
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运行程序有如下警告（两个）：
warning: cast to pointer from integer of different size [-Wint-to-pointer-cast]
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定位代码问题在：
...
void* vptr_addr = (void *)*(unsigned long *)obj;
...
void* func_addr = (void *)*((unsigned long *)vptr_addr+offset);
...
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打印少东西：
- win10下，最后输出的时候可能不会打印
Derived::fun2()原因何在？
总结
C++的动态多态性是通过虚函数来实现的。简单的说，通过virtual函数，指向子类的基类指针可以调用子类的函数。例如，上述通过基类指针指向派生类实例，并调用虚函数，将上述代码简化为：
Base *pt = new Derived(); // 基类指针指向派生类实例
cout<<"基类指针指向派生类实例并调用虚函数"<<endl;
pt->fun1();
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其过程为：
- ①、首先，程序识别出
fun1()是个虚函数； - ②、其次，程序使用
pt->vptr来获取Derived的虚拟表； - ③、最后，它查找
Derived虚拟表中调用哪个版本的fun1()。这里就可以发现调用的是Derived::fun1()。因此pt->fun1()被解析为Derived::fun1()！
参考
- 深入浅出C++虚函数的vptr与vtable
- typedef函数指针用法
- 函数指针与指针函数
- C++ 虚函数表解析—陈皓改进版
- 【C++快速上手】十九、typedef函数指针 与 assert学习笔记
文章来源: recclay.blog.csdn.net，作者：ReCclay，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。
原文链接：recclay.blog.csdn.net/article/details/108056396
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