C++笔记：虚函数背后的虚表

1. 为什么需要虚表

• 在我们学习C++的时候，几乎每书本都会告诉我们“想要实现多态就必须依赖虚函数”，非虚函数只能静态绑定而不具备多态性，只有虚函数才具有动态绑定的特性。而为了实现虚函数，C++则使用一种特殊的后期绑定（动态绑定）形式，称为 虚表（The virtual table）。虚表的就是一个函数查找表，用来解决函数的动态绑定问题。因此，虚表存在的意义就是——解决动态绑定问题，进而实现面向对象编程中的多态性。

2.静态绑定与动态绑定的简单理解

• 静态绑定：就是在“编译期”就可以确定需要调用哪些函数，并将这些函数的入口地址直接固化到调用这个函数的指令中。如同下面的这段代码中base.function()调用就是一个“静态绑定”的函数调用：

// 静态绑定
#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;

class Base {
public:
    void function() { cout << "Base::function" << endl; }
    virtual void sayhello() { cout << "Hello!" << endl; }
};

int main()
{
    Base *base = new Base();
    base->function(); // function在编译期间就知道是调用Base类中的function函数
    delete base;
    return EXIT_SUCCESS;
}

• 从下面的主函数部分的汇编代码片段（g++编译器）中，我们不难发现编译器在编译的时候直接生成了一条名为call _ZN4Base8functionEv的指令，而_ZN4Base8functionEv正是base.function()函数的入口名称。这也就意味着程序在“执行前”，编译器就已经知道在此处应该调用是函数base->function()，而不是其他的函数，并将相关的指令固化下来。这就是“静态绑定”。

main:
.LFB1459:
	.loc 1 12 0
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	subq	$16, %rsp
	.loc 1 13 0
	movl	$1, %edi
	call	_Znwm@PLT
	movq	%rax, -8(%rbp)
	.loc 1 14 0
	movq	-8(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN4Base8functionEv ; !! 这里 !! 直接使用call指令调用Base类中的function()成员函数
	.loc 1 15 0
	movq	-8(%rbp), %rax
	movl	$1, %esi
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZdlPvm@PLT
	.loc 1 16 0
	movl	$0, %eax
	.loc 1 17 0
	leave
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc

• 动态绑定：与静态绑定恰恰相反，编译器无法在“编译期”知道需要调用哪些函数。也就没有办法像静态绑定那样在编译的时候把函数调用固化为类似call _ZN4Base8functionEv指令。那么，为什么实现多态就必须要动态绑定呢，静态绑定不行吗？我们一起来看下面这段代码：

// 动态绑定
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void function() { cout << "Base::function" << endl; }
    virtual void sayhello() { cout << "Hello!" << endl; }
};

class DeriveA : public Base{
public:
    virtual void function() { cout << "DeriveA::function" << endl; }
};

class DeriveB : public Base{
public:
    virtual void function() { cout << "DeriveB::function" << endl; }
};

int main()
{
    Base *ptr = nullptr;
    if (time(nullptr) % 2) // 这里time(nullptr)获取当前系统的unix时间戳, 它为奇数和偶数概率各为一半
        ptr = new DeriveA(); // 当时间戳为奇数时, 创建DeriveA
    else
        ptr = new DeriveB(); // 当时间戳为偶数时, 创建DeriveB

    ptr->function();

    delete ptr;
    return EXIT_SUCCESS;
}

• 上面这段代码中time(nullptr)获取当前系统的unxi时间戳，当时间戳为奇数时ptr指向DeriveA类对象，而当时间戳为偶数时ptr指向DeriveB类对象。当编译器编译ptr->function()这条语句时，编译器不知道ptr的背后是一个DeriveA类还是一个DeriveB类，而由于要实现多态性，就必须保证当ptr指向DeriveA的时候调用DeriveA中的function()，当ptr指向DeriveB的时候调用DeriveB中的function()，而ptr指向谁这只能 在程序运行起来的时候才能知晓。因此，面向对象编程所需要的多态性就必须依赖“动态绑定”才能实现。当然，如果没有使用虚函数，不同函数不具备多态性，编译器在编译时就不会理睬ptr具体指向什么, 直接执行静态绑定。

3.虚表是如何实现动态绑定进而实现多态性的？

• 在讨论完静态绑定与动态绑定之后，我们终于进入正题——虚表是怎么样实现动态绑定进而实现多态性的？
• 这里我们依然以“动态绑定”中的代码为例子，上面的代码中一共有3个类分别是Base，DeriveA，DeriveB。
  • 首先，编译器在编译每个类的时候都会为其生成一张“虚表”，这张虚表其实就是一个编译器在编译时设置的一个“静态数组”。虚表的每一个元素都对应一个虚函数，这些虚函数可以被类的对象来调用。
  • 之后，编译器会为每一个类添加一个“隐藏的指针”，我们把它叫做*__vptr。这个*__vptr指针是类的实例被创建的时候，编译器自动为其设置的。如果我们把这个指针显示地展现出来，大概就像这样：

// 动态绑定
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

using namespace std;

class Base {
public:
    FunctionPointer *__vptr; //!隐藏指针! 指向虚表
    virtual void function() { cout << "Base::function" << endl; }
    virtual void sayhello() { cout << "Hello!" << endl; }
};

class DeriveA : public Base {
public:
    FunctionPointer *__vptr; //!隐藏指针! 指向虚表
    virtual void function() { cout << "DeriveA::function" << endl; }
};

class DeriveB : public Base {
public:
    FunctionPointer *__vptr; //!隐藏指针! 指向虚表
    virtual void function() { cout << "DeriveB::function" << endl; }
};

• 我们把上面的每个类及其虚表画出来，并用箭头表示指针的指向关系，就可得到下面这张图：

在上图中，每个类中的* __vptr指向该类的虚拟表。对于被子类覆写了虚函数，在虚表中对应指向该函数的条目将指向该子类中的该函数（如DeriveA类中的function函数）；如果子类没有覆写父类的虚函数，在虚表中对应指向该函数的条目将指向该子类的父类中的该函数（如DeriveA类中的sayhello函数）

• 现在，让我们考虑一下——当把一个基类指针指向派生类对象的时候发生了什么：

  1. 首先，我们创建一个DeriveA子类对象da：

     int main()
     {
         DeriverA da ;
         //...
     }
     

  2. 之后，我们让基类指针指向该对象：

     int main()
     {
         DeriverA da;
         Base *bda = &da;
         //...
     }
     

     我们注意到由于bda是一个Base类型的指针，因此通过bda指针我们只能访问DeriverA类中的“基类部分”（比如function函数）。然而，我们还要注意* __vptr也是属于这个所谓的“基类部分”的，因此通过bda也可以访问这个指针。但是，bda->__vptr指向的是DeriverA的虚表！因此，即使bda指针是Base类型，它仍然可以访问DeriverA的虚表（通过__vptr 指针）。

  3. 最后，我们来分析一下使用bda来调用function()的过程中发生了什么。首先，程序认识到function()是一个虚拟函数。其次，程序使用bda->__vptr来访问DeriverA的虚表。最终，通过DeriverA的虚表找到需要调用的function()——即DeriverA::function()。因此，bda->function()解析为DeriverA::function()！

     int main()
     {
         DeriverA da;
         Base *bda = &da;
         bda->function();
         //...
     }
     

• 如果我们使用图来表示就是：

  

4.对虚表的一点思考

• 调用虚函数相比调用非虚函数，有一定的效率上的损失，这主要来自一下的几个原因：
  1. 首先，我们必须使用* __vptr来获得恰当的虚拟表；
  2. 其次，我们必须查找虚拟表，以找到要调用的正确函数。只有这样我们才能调用这个函数。
• 因此，我们必须执行3个操作（1.对对象指针解引用； 2.对__vptr指针进行解引用得到虚表；3. 索引虚表中的函数，找到需要调用的函数）来找到要调用的函数，而不是对普通的间接函数调用执行2个操作（1.对对象指针解引用，2.找到需要调用的函数），或对直接函数调用执行1个操作。
• 尽管虚函数有一定效率上的损失，但是对于现代计算机来说，这些效率上的损失几乎微不足道。另外，任何使用虚函数的类都有一个编译器为我们生成__vptr指针。因此该类的每个对象会多占用一个指针变量的内存空间。所以说，虚函数在空间上也有一定的成本。

5.参考资料

[1] www.learncpp.com

另外博主目前也只是个学生，如果博文中有任何错误，希望各位朋友帮忙指出！！谢谢！！