c++虚类在内部的实现

2015-03-02 09:33:03 a2796749 阅读数 2841

在《深度探索C++对象模型》里,有一个问题,也是去公司面试的时候那些技术人员常问的问题:在C++中,obj是一个类的对象,p是指向obj的指针,该类里面有个数据成员mem,请问obj.mem和p->mem在实现和效率上有什么不同。
答案是:只有一种情况下才有重大差异,该情况必须满足以下3个条件:

(1)、obj 是一个虚拟继承的派生类的对象
(2)、mem是从虚拟基类派生下来的成员
(3)、p是基类类型的指针

当这种情况下,p->mem会比obj.mem多了两个中间层。(也就是说在这种情况下,p->mem比obj.mem要明显的慢,呵呵)

WHY?

如果好奇心比较重的话,请往下看 :)


1、虚基类的使用,和为多态而实现的虚函数不同,是为了解决多重继承的二义性问题。

举例如下:

class A
{
public:
    int a;
};

class B : virtual public A
{
public:
   int b;
};

class C :virtual public A
{
public:
   int c; 
};

class D : public B, public C
{
public:
   int d;
};

上面这种菱形的继承体系中,如果没有virtual继承,那么D中就有两个A的成员int a;继承下来,使用的时候,就会有很多二义性。而加了virtual继承,在D中就只有A的成员int a;的一份拷贝,该拷贝不是来自B,也不是来自C,而是一份单独的拷贝,那么,编译器是怎么实现的呢??

在回答这个问题之前,先想一下,sizeof(A),sizeof(B),sizeof(C),sizeof(D)是多少?(在32位x86的linux2.6下面,或者在vc2005下面)

在linux2.6下面,结果如下:sizeof(A) = 4; sizeof(B) = 12; sizeof(C) = 12; sizeof(D) = 24

sizeof(B)为什么是12呢,那是因为多了一个指针(这一点和虚函数的实现一样),那个指针是干嘛的呢?

那么sizeof(D)为什么是24呢?那是因为除了继承B中的b,C中的c,A中的a,和D自己的成员d之外,还继承了B,C多出来的2个指针(B和C分别有一个)。再强调一遍,D中的int a不是来自B也不是来自C,而是另外的一份从A直接靠过来的成员。

如果声明了D的对象d: D d;
那么d的内存布局如下:

vb_ptr: 继承自B的指针
int b: 继承自B公有成员
vc_ptr:继承自C的指针
int c: 继承自C的共有成员
int d: D自己的公有成员
int a: 继承自A的公有成员


那么以下的用法会发生什么事呢?

D dD;
B *pb = &dD;
pb->a;

上面说过,dD中的int a不是继承自B的,也不是继承自C的,那么这个B中的pb->a又会怎么知道指向的是dD内存中的第六项呢?

那就是指针vb_ptr的妙用了。原理如下:(其实g++3.4.3的实现更加复杂,我不知道是出于什么考虑,而我这里只说原理,所以把过程和内容简单化了)

首先,vb_ptr指向一个整数的地址,里面放的整数是那个int a的距离dD开始处的位移(在这里vb_ptr指向的地址里面放的是20,以字节为单位)。编译器是这样做的:

首先,找到vb_ptr(这个不用找,因为在g++中,vb_ptr就是B*中的第一项,呵呵),然后取得vb_ptr指向的地址的内容(这个例子是20),最后把这个内容与指针pb相加,就得到pb->a的地址了。

所以说这种时候,用指针转换多了两个中间层才能找到基类的成员,而且是运行期间。

由此也可以推知dD中的vb_ptr和vc_ptr的内容都是一样的,都是指向同一个地址,该地址就放20(在本例中)

如下的语句呢:

A *pa = &dD;
pa->a = 4;

这个语句不用转换了,因为编译器在编译期间就知道他把A中的成员插在dD中的那个地方了(在本例中是末尾),所以这个语句中的运行效率和dD.a是一样的(至少也是差不多的)

这就是虚基类实现的基本原理。

注意的是:那些指针的位置和基类成员在派生类成员中的内存布局是不确定的,也就是说标准里面没有规定int a必须要放在最后,只不过g++编译器的实现而已。c++标准大概只规定了这套机制的原理,至于具体的实现,比如各成员的排放顺序和优化,由各个编译器厂商自己定~
2016-10-30 10:18:18 zhanghow 阅读数 5881

C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态,简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例,然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”,这是一种泛型技术。所谓泛型技术,说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如:模板技术,RTTI技术,虚函数技术,要么是试图做到在编译时决议,要么试图做到运行时决议。

关于虚函数的使用方法,我在这里不做过多的阐述。大家可以看看相关的C++的书籍。在这篇文章中,我只想从虚函数的实现机制上面为大家 一个清晰的剖析。

当然,相同的文章在网上也出现过一些了,但我总感觉这些文章不是很容易阅读,大段大段的代码,没有图片,没有详细的说明,没有比较,没有举一反三。不利于学习和阅读,所以这是我想写下这篇文章的原因。也希望大家多给我提意见。

言归正传,让我们一起进入虚函数的世界。

虚函数表

对C++ 了解的人都应该知道虚函数(Virtual Function)是通过一张虚函数表(Virtual Table)来实现的。简称为V-Table。 在这个表中,主是要一个类的虚函数的地址表,这张表解决了继承、覆盖的问题,保证其容真实反应实际的函数。这样,在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了 这个实例的内存中,所以,当我们用父类的指针来操作一个子类的时候,这张虚函数表就显得由为重要了,它就像一个地图一样,指明了实际所应该调用的函数。

这里我们着重看一下这张虚函数表。在C++的标准规格说明书中说到,编译器必需要保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置(这是为了保证正确取到虚函数的偏移量)。 这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表,然后就可以遍历其中函数指针,并调用相应的函数。

听我扯了那么多,我可以感觉出来你现在可能比以前更加晕头转向了。 没关系,下面就是实际的例子,相信聪明的你一看就明白了。

假设我们有这样的一个类:

按照上面的说法,我们可以通过Base的实例来得到虚函数表。 下面是实际例程:

/*这里的一点争议的个人看法*/

原文认为(int*)(&b)是虚表的地址,而很多网友都说,(包括我也认为):(int *)*(int*)(&b)才是虚表地址

而(int*)*((int*)*(int*)(&b)); 才是虚表第一个虚函数的地址。

其实看后面的调用pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b)); 就可以看出,*((int*)*(int*)(&b));转成函数指针给pFun,然后正确的调用到了虚函数virtual void f()。

实际运行经果如下:(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虚函数表地址:0012FED4

虚函数表 — 第一个函数地址:0044F148

Base::f

通过这个示例,我们可以看到,我们可以通过强行把&b转成int *,取得虚函数表的地址,然后,再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了,也就是Base::f(),这在上面的程序中得到了验证(把int* 强制转成了函数指针)。通过这个示例,我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h(),其代码如下:

这个时候你应该懂了吧。什么?还是有点晕。也是,这样的代码看着太乱了。没问题,让我画个图解释一下。如下所示:

注意:在上面这个图中,我在虚函数表的最后多加了一个结点,这是虚函数表的结束结点,就像字符串的结束符“/0”一样,其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下,这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下,这个值是如果1,表示还有下一个虚函数表,如果值是0,表示是最后一个虚函数表。

下面,我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况,主要目的是为了给一个对比。在比较之下,我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。

一般继承(无虚函数覆盖)

下面,再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系:

请注意,在这个继承关系中,子类没有重载任何父类的函数。那么,在派生类的实例中,其虚函数表如下所示:

对于实例:Derive d; 的虚函数表如下:

我们可以看到下面几点:

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。

我相信聪明的你一定可以参考前面的那个程序,来编写一段程序来验证。

一般继承(有虚函数覆盖)

覆盖父类的虚函数是很显然的事情,不然,虚函数就变得毫无意义。下面,我们来看一下,如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数,会是一个什么样子?假设,我们有下面这样的一个继承关系。

为了让大家看到被继承过后的效果,在这个类的设计中,我只覆盖了父类的一个函数:f()。那么,对于派生类的实例,其虚函数表会是下面的一个样子:

我们从表中可以看到下面几点,

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,我们就可以看到对于下面这样的程序,

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。

多重继承(无虚函数覆盖)

下面,再让我们来看看多重继承中的情况,假设有下面这样一个类的继承关系。注意:子类并没有覆盖父类的函数。

对于子类实例中的虚函数表,是下面这个样子:

我们可以看到:

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。

多重继承(有虚函数覆盖)

下面我们再来看看,如果发生虚函数覆盖的情况。

下图中,我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

下面是对于子类实例中的虚函数表的图:

我们可以看见,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。如:

安全性

每次写C++的文章,总免不了要批判一下C++。这篇文章也不例外。通过上面的讲述,相信我们对虚函数表有一个比较细致的了解了。水可载舟,亦可覆舟。下面,让我们来看看我们可以用虚函数表来干点什么坏事吧。

一、通过父类型的指针访问子类自己的虚函数

我们知道,子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数,但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数:

任何妄图使用父类指针想调用子类中的未覆盖父类的成员函数的行为都会被编译器视为非法,所以,这样的程序根本无法编译通过。但在运行时,我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。(关于这方面的尝试,通过阅读后面附录的代码,相信你可以做到这一点)

二、访问non-public的虚函数

另外,如果父类的虚函数是private或是protected的,但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中,所以,我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数,这是很容易做到的。

如:

( 1 )virtual 虚函数

先看一段简单代码:

Code Segment:

基类的“Output”函数是个虚函数。那么,很明显地,程序的运行结果将是:

( 2)  virtual function table  虚函数表

先来分析我们的main函数中的Derive类的对象obj,看看它的内存布局,由于没有数据成员,它的大小为4个字节,只有一个vfptr,所以obj的地址也就是vfptr的地址了。

对一个C++类,如果它要呈现多态(一般的编译器会将这个类以及它的基类中是否存在virtual关键字作为这个类是否要多态),那么类会有一个virtual function table,而每一个实例(对象)都会有一个virtual function pointer(以下简称vfptr)指向该类的virtual function table的起始地址,而virtual function table表格地址所对应的内存单元的内容就是虚函数地址(其实并不是真正的函数地址,而是跳转到函数的jmp指令的地址)。

( 2 )  实现 virtual 功能

结束语

C++这门语言是一门Magic的语言,对于程序员来说,我们似乎永远摸不清楚这门语言背着我们在干了什么。需要熟悉这门语言,我们就必需要了解C++里面的那些东西,需要去了解C++中那些危险的东西。不然,这是一种搬起石头砸自己脚的编程

2017-03-07 17:39:48 hyszyl 阅读数 507
虚函数在c++中的实现机制就是用虚表和虚指针,但是具体是怎样的呢?从more effecive c++其中一篇文章里面可以知道:是每个类用了一个虚表,每个类的对象用了一个虚指针。具体的用法如下:

class A
{
public:
    virtual void f();
    virtual void g();
private:
    int a
};


class B : public A
{
public:
    void g();
private:
    int b;
};


//A,B的实现省略

因为A有virtual void f(),和g(),所以编译器为A类准备了一个虚表vtableA,内容如下:
A::f 的地址
A::g 的地址

B因为继承了A,所以编译器也为B准备了一个虚表vtableB,内容如下:
A::f 的地址
B::g 的地址


注意:因为B::g是重写了的,所以B的虚表的g放的是B::g的入口地址,但是f是从上面的A继承下来的,所以f的地址是A::f的入口地址。

然后某处有语句 B bB;的时候,编译器分配空间时,除了A的int a,B的成员int b;以外,还分配了一个虚指针vptr,指向B的虚表vtableB,bB的布局如下:

vptr : 指向B的虚表vtableB
int a: 继承A的成员
int b: B成员

当如下语句的时候:
A *pa = &bB;

pa的结构就是A的布局(就是说用pa只能访问的到bB对象的前两项,访问不到第三项int b)

那么pa->g()中,编译器知道的是,g是一个声明为virtual的成员函数,而且其入口地址放在表格(无论是vtalbeA表还是vtalbeB表)的第2项,那么编译器编译这条语句的时候就如是转换:call *(pa->vptr)[1](C语言的数组索引从0开始哈~)。

这一项放的是B::g()的入口地址,则就实现了多态。(注意bB的vptr指向的是B的虚表vtableB)

另外要注意的是,如上的实现并不是唯一的,C++标准只要求用这种机制实现多态,至于虚指针vptr到底放在一个对象布局的哪里,标准没有要求,每个编译器自己决定。我以上的结果是根据g++ 4.3.4经过反汇编分析出来的。
2018-08-04 09:09:24 tajon1226 阅读数 1374

前言

C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态,简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例,然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”,这是一种泛型技术。所谓泛型技术,说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如:模板技术,RTTI技术,虚函数技术,要么是试图做到在编译时决议,要么试图做到运行时决议。

关于虚函数的使用方法,我在这里不做过多的阐述。大家可以看看相关的C++的书籍。在这篇文章中,我只想从虚函数的实现机制上面为大家一个清晰的剖析。

当然,相同的文章在网上也出现过一些了,但我总感觉这些文章不是很容易阅读,大段大段的代码,没有图片,没有详细的说明,没有比较,没有举一反三。不利于学习和阅读,所以这是我想写下这篇文章的原因。也希望大家多给我提意见。

言归正传,让我们一起进入虚函数的世界。

虚函数表

对C++ 了解的人都应该知道虚函数(Virtual Function)是通过一张虚函数表(Virtual Table)来实现的。简称为V-Table。在这个表中,主是要一个类的虚函数的地址表,这张表解决了继承、覆盖的问题,保证其容真实反应实际的函数。这样,在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中,所以,当我们用父类的指针来操作一个子类的时候,这张虚函数表就显得由为重要了,它就像一个地图一样,指明了实际所应该调用的函数。

这里我们着重看一下这张虚函数表。在C++的标准规格说明书中说到,编译器必需要保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置(这是为了保证正确取到虚函数的偏移量)。这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表,然后就可以遍历其中函数指针,并调用相应的函数。

听我扯了那么多,我可以感觉出来你现在可能比以前更加晕头转向了。没关系,下面就是实际的例子,相信聪明的你一看就明白了。

假设我们有这样的一个类:

class Base {

public:

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

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

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

 

};

按照上面的说法,我们可以通过Base的实例来得到虚函数表。下面是实际例程:

typedef void(*Fun)(void);

 

Base b;

 

Fun pFun = NULL;

 

cout << "虚函数表地址:" << (int*)(&b) << endl;

cout << "虚函数表 — 第一个函数地址:" << (int*)*(int*)(&b) << endl;

 

// Invoke the first virtual function

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

pFun();

实际运行经果如下:(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虚函数表地址:0012FED4

虚函数表 — 第一个函数地址:0044F148

Base::f

通过这个示例,我们可以看到,我们可以通过强行把&b转成int *,取得虚函数表的地址,然后,再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了,也就是Base::f(),这在上面的程序中得到了验证(把int* 强制转成了函数指针)。通过这个示例,我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h(),其代码如下:

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

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

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

这个时候你应该懂了吧。什么?还是有点晕。也是,这样的代码看着太乱了。没问题,让我画个图解释一下。如下所示:

 

 

注意:在上面这个图中,我在虚函数表的最后多加了一个结点,这是虚函数表的结束结点,就像字符串的结束符“\0”一样,其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下,这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下,这个值是如果1,表示还有下一个虚函数表,如果值是0,表示是最后一个虚函数表。

下面,我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况,主要目的是为了给一个对比。在比较之下,我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。

一般继承(无虚函数覆盖)

下面,再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系:

请注意,在这个继承关系中,子类没有重载任何父类的函数。那么,在派生类的实例中,其虚函数表如下所示:

 

 

对于实例:Derive d; 的虚函数表如下:

 

我们可以看到下面几点:

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。

我相信聪明的你一定可以参考前面的那个程序,来编写一段程序来验证。

一般继承(有虚函数覆盖)

覆盖父类的虚函数是很显然的事情,不然,虚函数就变得毫无意义。下面,我们来看一下,如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数,会是一个什么样子?假设,我们有下面这样的一个继承关系。

为了让大家看到被继承过后的效果,在这个类的设计中,我只覆盖了父类的一个函数:f()。那么,对于派生类的实例,其虚函数表会是下面的一个样子:

我们从表中可以看到下面几点,

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,我们就可以看到对于下面这样的程序,

 

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。

多重继承(无虚函数覆盖)

下面,再让我们来看看多重继承中的情况,假设有下面这样一个类的继承关系。注意:子类并没有覆盖父类的函数。

对于子类实例中的虚函数表,是下面这个样子:

 

我们可以看到:

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。

多重继承(有虚函数覆盖)

下面我们再来看看,如果发生虚函数覆盖的情况。

下图中,我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

下面是对于子类实例中的虚函数表的图:

我们可以看见,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。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

每次写C++的文章,总免不了要批判一下C++。这篇文章也不例外。通过上面的讲述,相信我们对虚函数表有一个比较细致的了解了。水可载舟,亦可覆舟。下面,让我们来看看我们可以用虚函数表来干点什么坏事吧。

一、通过父类型的指针访问子类自己的虚函数

我们知道,子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数,但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数:

 

Base1 *b1 = new Derive();

b1->f1(); //编译出错

任何妄图使用父类指针想调用子类中的未覆盖父类的成员函数的行为都会被编译器视为非法,所以,这样的程序根本无法编译通过。但在运行时,我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。(关于这方面的尝试,通过阅读后面附录的代码,相信你可以做到这一点)

二、访问non-public的虚函数

另外,如果父类的虚函数是private或是protected的,但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中,所以,我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数,这是很容易做到的。

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();

}

 

 

结束语

C++这门语言是一门Magic的语言,对于程序员来说,我们似乎永远摸不清楚这门语言背着我们在干了什么。需要熟悉这门语言,我们就必需要了解C++里面的那些东西,需要去了解C++中那些危险的东西。不然,这是一种搬起石头砸自己脚的编程语言。

在文章束之前还是介绍一下自己吧。我从事软件研发有十个年头了,目前是软件开发技术主管,技术方面,主攻Unix/C/C++,比较喜欢网络上的技术,比如分布式计算,网格计算,P2P,Ajax等一切和互联网相关的东西。管理方面比较擅长于团队建设,技术趋势分析,项目管理。欢迎大家和我交流,我的MSN和Email是:haoel@hotmail.com

附录一:VC中查看虚函数表

我们可以在VC的IDE环境中的Debug状态下展开类的实例就可以看到虚函数表了(并不是很完整的)

 

附录 二:例程

下面是一个关于多重继承的虚函数表访问的例程:

#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 << "Derive::f" << endl; }

virtual void g1() { cout << "Derive::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;

}

2007-12-18 22:07:00 haoel 阅读数 412505

C++ 虚函数表解析

 

陈皓

http://blog.csdn.net/haoel

 

 

前言

 

C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态,简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例,然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”,这是一种泛型技术。所谓泛型技术,说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如:模板技术,RTTI技术,虚函数技术,要么是试图做到在编译时决议,要么试图做到运行时决议。

 

 

关于虚函数的使用方法,我在这里不做过多的阐述。大家可以看看相关的C++的书籍。在这篇文章中,我只想从虚函数的实现机制上面为大家 一个清晰的剖析。

 

当然,相同的文章在网上也出现过一些了,但我总感觉这些文章不是很容易阅读,大段大段的代码,没有图片,没有详细的说明,没有比较,没有举一反三。不利于学习和阅读,所以这是我想写下这篇文章的原因。也希望大家多给我提意见。

 

言归正传,让我们一起进入虚函数的世界。

 

 

虚函数表

 

C++ 了解的人都应该知道虚函数(Virtual Function)是通过一张虚函数表(Virtual Table)来实现的。简称为V-Table。在这个表中,主是要一个类的虚函数的地址表,这张表解决了继承、覆盖的问题,保证其容真实反应实际的函数。这样,在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中,所以,当我们用父类的指针来操作一个子类的时候,这张虚函数表就显得由为重要了,它就像一个地图一样,指明了实际所应该调用的函数。

 

这里我们着重看一下这张虚函数表。C++的编译器应该是保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置(这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能——如果有多层继承或是多重继承的情况下)。 这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表,然后就可以遍历其中函数指针,并调用相应的函数。

 

听我扯了那么多,我可以感觉出来你现在可能比以前更加晕头转向了。 没关系,下面就是实际的例子,相信聪明的你一看就明白了。

 

假设我们有这样的一个类:

 

class Base {

     public:

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

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

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

 

};

 

按照上面的说法,我们可以通过Base的实例来得到虚函数表。 下面是实际例程:

 

          typedef void(*Fun)(void);

 

            Base b;

 

            Fun pFun = NULL;

 

            cout << "虚函数表地址:" << (int*)(&b) << endl;

            cout << "虚函数表第一个函数地址:" << (int*)*(int*)(&b) << endl;

 

            // Invoke the first virtual function 

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

            pFun();

 

实际运行经果如下:(Windows XP+VS2003,  Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

 

虚函数表地址:0012FED4

虚函数表第一个函数地址:0044F148

Base::f

 

 

通过这个示例,我们可以看到,我们可以通过强行把&b转成int *,取得虚函数表的地址,然后,再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了,也就是Base::f(),这在上面的程序中得到了验证(把int* 强制转成了函数指针)。通过这个示例,我们就可以知道如果要调用Base::g()Base::h(),其代码如下:

 

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

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

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

 

这个时候你应该懂了吧。什么?还是有点晕。也是,这样的代码看着太乱了。没问题,让我画个图解释一下。如下所示:

注意:在上面这个图中,我在虚函数表的最后多加了一个结点,这是虚函数表的结束结点,就像字符串的结束符“/0”一样,其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下,这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下,这个值是如果1,表示还有下一个虚函数表,如果值是0,表示是最后一个虚函数表。

 

 

下面,我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况,主要目的是为了给一个对比。在比较之下,我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。

 

一般继承(无虚函数覆盖)

 

下面,再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系:

 

 

请注意,在这个继承关系中,子类没有重载任何父类的函数。那么,在派生类的实例中,其虚函数表如下所示:

 

对于实例:Derive d; 的虚函数表如下:

 

我们可以看到下面几点:

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。

 

我相信聪明的你一定可以参考前面的那个程序,来编写一段程序来验证。

 

 

 

一般继承(有虚函数覆盖)

 

覆盖父类的虚函数是很显然的事情,不然,虚函数就变得毫无意义。下面,我们来看一下,如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数,会是一个什么样子?假设,我们有下面这样的一个继承关系。

 

 

 

为了让大家看到被继承过后的效果,在这个类的设计中,我只覆盖了父类的一个函数:f()。那么,对于派生类的实例,其虚函数表会是下面的一个样子:

 

 

我们从表中可以看到下面几点,

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,我们就可以看到对于下面这样的程序,

 

            Base *b = new Derive();

 

            b->f();

 

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。

 

 

 

多重继承(无虚函数覆盖)

 

下面,再让我们来看看多重继承中的情况,假设有下面这样一个类的继承关系。注意:子类并没有覆盖父类的函数。

 

 

 

对于子类实例中的虚函数表,是下面这个样子:

 

我们可以看到:

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。

 

 

 

 

多重继承(有虚函数覆盖)

 

下面我们再来看看,如果发生虚函数覆盖的情况。

 

下图中,我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

 

 

 

下面是对于子类实例中的虚函数表的图:

 

 

我们可以看见,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。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

 

每次写C++的文章,总免不了要批判一下C++。这篇文章也不例外。通过上面的讲述,相信我们对虚函数表有一个比较细致的了解了。水可载舟,亦可覆舟。下面,让我们来看看我们可以用虚函数表来干点什么坏事吧。

 

一、通过父类型的指针访问子类自己的虚函数

我们知道,子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数,但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数:

 

          Base1 *b1 = new Derive();

            b1->f1();  //编译出错

 

任何妄图使用父类指针想调用子类中的未覆盖父类的成员函数的行为都会被编译器视为非法,所以,这样的程序根本无法编译通过。但在运行时,我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。(关于这方面的尝试,通过阅读后面附录的代码,相信你可以做到这一点)

 

 

二、访问non-public的虚函数

另外,如果父类的虚函数是private或是protected的,但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中,所以,我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数,这是很容易做到的。

 

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();

}

 

 

结束语

C++这门语言是一门Magic的语言,对于程序员来说,我们似乎永远摸不清楚这门语言背着我们在干了什么。需要熟悉这门语言,我们就必需要了解C++里面的那些东西,需要去了解C++中那些危险的东西。不然,这是一种搬起石头砸自己脚的编程语言。

 

在文章束之前还是介绍一下自己吧。我从事软件研发有十个年头了,目前是软件开发技术主管,技术方面,主攻Unix/C/C++,比较喜欢网络上的技术,比如分布式计算,网格计算,P2PAjax等一切和互联网相关的东西。管理方面比较擅长于团队建设,技术趋势分析,项目管理。欢迎大家和我交流,我的MSNEmail是:haoel@hotmail.com 

 

附录一:VC中查看虚函数表

 

我们可以在VCIDE环境中的Debug状态下展开类的实例就可以看到虚函数表了(并不是很完整的)

附录 二:例程

下面是一个关于多重继承的虚函数表访问的例程:

 

#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 << "Derive::f" << endl; }

            virtual void g1() { cout << "Derive::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;

}

 

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