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虛函數(shù)表
對(duì)C++ 了解的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)（Virtual Function）是通過(guò)一張?zhí)摵瘮?shù)表（Virtual Table）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)稱(chēng)為V-Table。 在這個(gè)表中，主是要一個(gè)類(lèi)的虛函數(shù)的地址表，這張表解決了繼承、重載的問(wèn)題，保證其容真實(shí)反應(yīng)實(shí)際的函數(shù)。這樣，在有虛函數(shù)的類(lèi)的實(shí)例中這個(gè)表被分配在了 這個(gè)實(shí)例的內(nèi)存中，所以，當(dāng)我們用父類(lèi)的指針來(lái)操作一個(gè)子類(lèi)的時(shí)候，這張?zhí)摵瘮?shù)表就顯得由為重要了，它就像一個(gè)地圖一樣，指明了實(shí)際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。

這里我們著重看一下這張?zhí)摵瘮?shù)表。在C++的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格說(shuō)明書(shū)中說(shuō)到，編譯器必需要保證虛函數(shù)表的指針存在于對(duì)象實(shí)例中最前面的位置（這是為了保證正確取到虛函數(shù)的偏移量）。 這意味著我們通過(guò)對(duì)象實(shí)例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表，然后就可以遍歷其中函數(shù)指針，并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。

聽(tīng)我扯了那么多，我可以感覺(jué)出來(lái)你現(xiàn)在可能比以前更加暈頭轉(zhuǎn)向了。 沒(méi)關(guān)系，下面就是實(shí)際的例子，相信聰明的你一看就明白了。

假設(shè)我們有這樣的一個(gè)類(lèi)：


class Base {

???? public:

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

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

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

};


按照上面的說(shuō)法，我們可以通過(guò)Base的實(shí)例來(lái)得到虛函數(shù)表。 下面是實(shí)際例程：


??????????? typedef void(*Fun)(void);

??????????? Base b;

??????????? Fun pFun = NULL;

??????????? cout << "虛函數(shù)表地址：" << (int*)(&b) << endl;

??????????? cout << "虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;


??????????? // Invoke the first virtual function

??????????? pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));

??????????? pFun();


實(shí)際運(yùn)行經(jīng)果如下：(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)


虛函數(shù)表地址：0012FED4

虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：0044F148

Base::f

通過(guò)這個(gè)示例，我們可以看到，我們可以通過(guò)強(qiáng)行把&b轉(zhuǎn)成int *，取得虛函數(shù)表的地址，然后，再次取址就可以得到第一個(gè)虛函數(shù)的地址了，也就是Base::f()，這在上面的程序中得到了驗(yàn)證（把int* 強(qiáng)制轉(zhuǎn)成了函數(shù)指針）。通過(guò)這個(gè)示例，我們就可以知道如果要調(diào)用Base::g()和Base::h()，其代碼如下：


??????????? (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()

??????????? (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()

??????????? (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()


這個(gè)時(shí)候你應(yīng)該懂了吧。什么？還是有點(diǎn)暈。也是，這樣的代碼看著太亂了。沒(méi)問(wèn)題，讓我畫(huà)個(gè)圖解釋一下。如下所示：


注意：在上面這個(gè)圖中，我在虛函數(shù)表的最后多加了一個(gè)結(jié)點(diǎn)，這是虛函數(shù)表的結(jié)束結(jié)點(diǎn)，就像字符串的結(jié)束符“\0”一樣，其標(biāo)志了虛函數(shù)表的結(jié)束。這個(gè)結(jié)束標(biāo)志的值在不同的編譯器下是不同的。在WinXP+VS2003下，這個(gè)值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，這個(gè)值是如果1，表示還有下一個(gè)虛函數(shù)表，如果值是0，表示是最后一個(gè)虛函數(shù)表。



下面，我將分別說(shuō)明“無(wú)重載”和“有重載”時(shí)的虛函數(shù)表的樣子。沒(méi)有重載父類(lèi)的虛函數(shù)是毫無(wú)意義的。我之所以要講述沒(méi)有重載的情況，主要目的是為了給一個(gè)對(duì)比。在比較之下，我們可以更加清楚地知道其內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)。

一般繼承（無(wú)虛函數(shù)重載）

下面，再讓我們來(lái)看看繼承時(shí)的虛函數(shù)表是什么樣的。假設(shè)有如下所示的一個(gè)繼承關(guān)系：

請(qǐng)注意，在這個(gè)繼承關(guān)系中，子類(lèi)沒(méi)有重載任何父類(lèi)的函數(shù)。那么，在派生類(lèi)的實(shí)例中，其虛函數(shù)表如下所示：




對(duì)于實(shí)例：Derive d; 的虛函數(shù)表如下：


我們可以看到下面幾點(diǎn)：

1）虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。

2）父類(lèi)的虛函數(shù)在子類(lèi)的虛函數(shù)前面。


我相信聰明的你一定可以參考前面的那個(gè)程序，來(lái)編寫(xiě)一段程序來(lái)驗(yàn)證。


一般繼承（有虛函數(shù)重載）

重載父類(lèi)的虛函數(shù)是很顯然的事情，不然，虛函數(shù)就變得毫無(wú)意義。下面，我們來(lái)看一下，如果子類(lèi)中有虛函數(shù)重載了父類(lèi)的虛函數(shù)，會(huì)是一個(gè)什么樣子？假設(shè)，我們有下面這樣的一個(gè)繼承關(guān)系。


為了讓大家看到被繼承過(guò)后的效果，在這個(gè)類(lèi)的設(shè)計(jì)中，我只重載了父類(lèi)的一個(gè)函數(shù)：f()。那么，對(duì)于派生類(lèi)的實(shí)例，其虛函數(shù)表會(huì)是下面的一個(gè)樣子

我們從表中可以看到下面幾點(diǎn)，

1）重載的f()函數(shù)被放到了虛表中原來(lái)父類(lèi)虛函數(shù)的位置。

2）沒(méi)有被重載的函數(shù)依舊。


這樣，我們就可以看到對(duì)于下面這樣的程序，


??????????? Base *b = new Derive();


??????????? b->f();


由b所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的f()的位置已經(jīng)被Derive::f()函數(shù)地址所取代，于是在實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)，是Derive::f()被調(diào)用了。這就實(shí)現(xiàn)了多態(tài)。


多重繼承（無(wú)虛函數(shù)重載）
下面，再讓我們來(lái)看看多重繼承中的情況，假設(shè)有下面這樣一個(gè)類(lèi)的繼承關(guān)系。注意：子類(lèi)并沒(méi)有重載復(fù)類(lèi)的函數(shù)。


對(duì)于子類(lèi)實(shí)例中的虛函數(shù)表，是下面這個(gè)樣子：

我們可以看到：

1） 每個(gè)父類(lèi)都有自己的虛表。

2） 子類(lèi)的成員函數(shù)被放到了第一個(gè)父類(lèi)的表中。（所謂的第一個(gè)父類(lèi)是按照聲明順序來(lái)判斷的）


這樣做就是為了解決不同的父類(lèi)類(lèi)型的指針指向同一個(gè)子類(lèi)實(shí)例，而能夠調(diào)用到實(shí)際的函數(shù)。


多重繼承（有虛函數(shù)重載）
下面我們?cè)賮?lái)看看，如果發(fā)生虛函數(shù)重載的情況。


下圖中，我們重載了父類(lèi)的f()函數(shù)。


下面是對(duì)于子類(lèi)實(shí)例中的虛函數(shù)表的圖：

我們可以看見(jiàn)，三個(gè)父類(lèi)虛函數(shù)表中的f()的位置被替換成了子類(lèi)的函數(shù)指針。這樣，我們就可以任一靜態(tài)類(lèi)型的父類(lèi)來(lái)指向子類(lèi)，并調(diào)用子類(lèi)的f()了。如：


??????????? 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()


安全性
每次寫(xiě)C++的文章，總免不了要批判一下C++。這篇文章也不例外。通過(guò)上面的講述，相信我們對(duì)虛函數(shù)表有一個(gè)比較細(xì)致的了解了。水可載舟，亦可覆舟。下面，讓我們來(lái)看看我們可以用虛函數(shù)表來(lái)干點(diǎn)什么壞事吧。

一、通過(guò)父類(lèi)型的指針訪問(wèn)子類(lèi)自己的虛函數(shù)

我們知道，子類(lèi)沒(méi)有重載父類(lèi)的虛函數(shù)是一件毫無(wú)意義的事情。因?yàn)槎鄳B(tài)也是要基于函數(shù)重載的。雖然在上面的圖中我們可以看到Base1的虛表中有Derive的虛函數(shù)，但我們根本不可能使用下面的語(yǔ)句來(lái)調(diào)用子類(lèi)的自有虛函數(shù)：


????????? Base1 *b1 = new Derive();

??????????? b1->f1(); //編譯出錯(cuò)

任何妄圖使用父類(lèi)指針想調(diào)用子類(lèi)中的未重載父類(lèi)的成員函數(shù)的行為都會(huì)被編譯器視為非法，所以，這樣的程序根本無(wú)法編譯通過(guò)。但在運(yùn)行時(shí)，我們可以通過(guò)指針的方式訪問(wèn)虛函數(shù)表來(lái)達(dá)到違反C++語(yǔ)義的行為。（關(guān)于這方面的嘗試，通過(guò)閱讀后面附錄的代碼，相信你可以做到這一點(diǎn)）
二、訪問(wèn)non-public的虛函數(shù)

另外，如果父類(lèi)的虛函數(shù)是private或是protected的，但這些非public的虛函數(shù)同樣會(huì)存在于虛函數(shù)表中，所以，我們同樣可以使用訪問(wèn)虛函數(shù)表的方式來(lái)訪問(wèn)這些non-public的虛函數(shù)，這是很容易做到的。

如：

class Base {

??? private:

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

};


class Derive : public Base{

};


typedef void(*Fun)(void);

void main() {

??? Derive d;

??? Fun pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d)+0);

??? pFun();

}

附錄一：VC中查看虛函數(shù)表
我們可以在VC的IDE環(huán)境中的Debug狀態(tài)下展開(kāi)類(lèi)的實(shí)例就可以看到虛函數(shù)表了（并不是很完整的）


附錄 二：例程
下面是一個(gè)關(guān)于多重繼承的虛函數(shù)表訪問(wèn)的例程：

#include <iostream>

using namespace std;


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 Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {

public:

??????????? virtual void f() { cout << "Driver::f" << endl; }

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

};


typedef void(*Fun)(void);

int main()

{

?????????? Fun pFun = NULL;

??????????? Derive d;

??????????? int** pVtab = (int**)&d;


??????????? //Base1's vtable

??????????? //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+0);

??????????? pFun = (Fun)pVtab[0][0];

??????????? pFun();


??????????? //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+1);

??????????? pFun = (Fun)pVtab[0][1];

??????????? pFun();


??????????? //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+2);

??????????? pFun = (Fun)pVtab[0][2];

??????????? pFun();


??????????? //Derive's vtable

??????????? //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+3);

??????????? pFun = (Fun)pVtab[0][3];

??????????? pFun();


??????????? //The tail of the vtable

??????????? pFun = (Fun)pVtab[0][4];

??????????? cout<<pFun<<endl;


??????????? //Base2's vtable

??????????? //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);

??????????? pFun = (Fun)pVtab[1][0];

??????????? pFun();


??????????? //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);

??????????? pFun = (Fun)pVtab[1][1];

??????????? pFun();


??????????? pFun = (Fun)pVtab[1][2];

??????????? pFun();


??????????? //The tail of the vtable

??????????? pFun = (Fun)pVtab[1][3];

??????????? cout<<pFun<<endl;


??????????? //Base3's vtable

??????????? //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);

??????????? pFun = (Fun)pVtab[2][0];

??????????? pFun();


??????????? //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);

??????????? pFun = (Fun)pVtab[2][1];

??????????? pFun();


??????????? pFun = (Fun)pVtab[2][2];

??????????? pFun();


??????????? //The tail of the vtable

??????????? pFun = (Fun)pVtab[2][3];

??????????? cout<<pFun<<endl;

??????????? return 0;

}

虛函數(shù)