C++ Virtual Table

概述

为了实现 C++ 的多态，C++ 使用了一种 动态绑定 的技术。实现 动态绑定 的方法有很多种，但是很多编译器都是用了类似的方案：虚表。本文介绍如何通过 虚表 来实现 动态绑定。

注意：虚表 本身并不是 C++ 的标准，它是编译器实现 动态绑定 的一种方式。

虚表

什么是虚表

虚表(Virtual Table) 是一个 指针数组，里面存储的是 函数指针，指向 虚函数。

虚表在什么阶段生成

虚表 内的条目，即 虚函数指针 的赋值发生在编译器的编译阶段，也就是说在代码的编译阶段，虚表 就可以构造出来了。

谁会拥有虚表

如果一个 类 包含 虚函数，那么它就会包含一个 虚表。并且，虚表 是和 类 绑定的，也就是说这个 类 的所有 对象 都共享这同一个 虚表。

注意：需要指出的是，普通函数 即 非虚函数，它的调用并不需要经过 虚表，所以 虚表 中的元素并不包括 普通函数 的函数指针。

示例

类 A 包含 虚函数，故类 A 拥有一个虚表。

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class A {
 public:
  virtual void vfunc1();
  virtual void vfunc2();
  void func1();
  void func2();
 private:
  int data1, data2;
};

对于这个类 A 的 虚表 结构示意图如图 1 所示：

class vtable

虚表指针

同一个 类 的所有 对象 都使用同一个虚表。为了指定 对象 的 虚表，对象 内部包含一个指针，来指向自己所使用的 虚表，这个指针就是 虚表指针。

虚表指针 是编译器自动创建的：为了让每个包含 虚表 的类的对象都拥有一个虚表指针，编译器在 类 中添加了一个指针 *__vptr 用来指向虚表。这样，当类的对象在创建时便拥有了这个指针，且这个指针的值会自动被设置为指向自己所属的那个类的虚表。

类 A 以及它的对象的 虚表 结构示意图如图 2 所示：

class vtable

注意：同一个 类 的 不同的 对象 的 *__vptr 的值是一样的，也就是它们都指向同一个地方。

动态绑定

什么是动态绑定

经过 虚表 调用 虚函数 的过程称为 动态绑定，其表现出来的现象称为 运行时多态。
与 动态绑定 相对应的是 静态绑定，区别于传统的函数调用就是 静态绑定，即函数的调用在 编译阶段 就可以确定下来了。

那么，什么时候会执行函数的动态绑定？这需要符合以下三个条件。

  • 通过 指针 来调用函数。
  • 指针 upcast 向上转型。
  • 调用的是 虚函数。

如果一个函数调用符合以上三个条件，编译器就会把该函数调用编译成 动态绑定，其函数的调用过程走的是通过 虚表 的机制。具体是怎么做的呢，下一节就是对它做了描述。

如何使用 虚表 实现 动态绑定

那么是如何通过 虚表 来实现 动态绑定 的呢？

我们先看下面的代码

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class A {
 public:
  virtual void vfunc1();
  virtual void vfunc2();
  void func1();
  void func2();

 private:
  int data1, data2;
};

class B : public A {
 public:
  virtual void vfunc1();
  void func1();

 private:
  int data3;
};

class C : public B {
 public:
  virtual void vfunc2();
  void func2();

 private:
  int data1, data4;
};

它们的 虚表 结构示意图如图 3 所示：

class vtable

需要特别注意的是：如果子类 override 了基类的虚函数，就会为这个 override 的函数重新创建一个新的 虚函数，比如上例的 B::vfunc1() override 了 A::vfunc1().

总结

  • 虚表 是实现 动态绑定 的一种方式，这种方式被大多数编译器所采用，但并不是 C++ 的一个标准。
  • 虚表 是一个 指针数组，数组中的元素是 函数指针，会指向其继承的最近的一个类的 虚函数 （如果是基类，那就是它自己的虚函数）。
  • 虚表 是和 类 绑定的，一个 类 只有一个 虚表，这个 类 的所有的 对象 都会共享它。
  • 对象 使用 虚表指针 用来指向自己所属类的 虚表。

参考