C++虚表,你搞懂了吗?

前言

我们说的虚表其实有很多种叫法:

  • virtual method table(VMT)
  • virtual function table(vftable)
  • virtual call table
  • dispatch table
  • vtable

这些都是虚表的意思。虚表是一种利用程序语言实现的dynamic dispatch机制,或者说runtime method binding机制,也就是我们说的多态。

注:笔者在本文使用C++语言,并且统一用vTable来表示虚表。

虚函数

用virtual关键字修饰的函数就叫虚函数

因为vTable(虚表)是C++利用runtime来实现多态的工具,所以我们需要借助virtual关键字将函数代码地址存入vTable来躲开静态编译期。这里我们先不深入探究,后面我会细说。

首先我们先来看一个没有虚函数,即没有用到vTable的例子:

程序中有一个基类Animal,它有一个makeSound()函数。有三个继承自Animal的子类,分别是牛、猪、驴,并且实现了自己的makeSound()方法。很简单的代码,是吧。

我们运行程序,你觉得输出结果会是什么呢?不错,这里会连续执行4次Animal的makeSound()方法,结果如下:

为什么?因为我们的基类Animal的makeSound()方法没有使用Virtual修饰,所以在静态编译时就makeSound()的实现就定死了。调用makeSound()方法时,编译器发现这是Animal指针,就会直接jump到makeSound()的代码段地址进行调用。

ok,那么我们把Animal的makeSound()改为虚函数,如下:

运行会是怎样?如你所料,多态已经成功实现:

接下来就是大家最关心的部分,这是怎么回事?编译器到底做了什么?

虚表

为了说明方便,我们需要修改一下基类Animal的代码,不改变其他子类,修改如下:

首先我们需要知道几个关键点:

  1. 函数只要有virtual,我们就需要把它添加进vTable。
  2. 每个类(而不是类实例)都有自己的虚表,因此vTable就变成了vTables。
  3. 虚表存放的位置一般存放在模块的常量段中,从始至终都只有一份。详情可在此参考

我们怎么理解?从本例来看,我们的Animal、Cow、Pig、Donkey类都有自己的虚表,并且虚表里都有两个地址指针指向makeSound()和walk()的函数地址。一个指针4个字节,因此每个vTable的大小都是8个字节。如图:

vtable

他们的虚表中记录着不同函数的地址值。可以看到Cow、Pig、Donkey重写了makeSound()函数但是没有重写walk()函数。因此在调用makeSound()时,就会直接jump到自己实现的code Address。而调用walk()时,则会jump到Animal父类walk的Code Address。

虚指针

现在我们已经知道虚表的数据结构了,那么我们在堆里实例化类对象时是怎么样调用到相应的函数的呢?这就要借助到虚指针了(vPointer)。

虚指针是类实例对象指向虚表的指针,存在于对象头部,大小为4个字节,比如我们的Donkey类的实例化对象数据结构就如下:

我们修改main函数里的代码,如下:

我们在堆中生成了两个Donkey实例,运行结果如下:

没问题。然后我们再来看看堆里的结构,就变成了这样:

donkey

还有什么是这张图不能说明的呢?

Enjoy it :)

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