C++虚函数及虚函数表解析
原文链接：http://www.keepsimply.org/2012/07/11/cpp-vtable/
作者：独酌逸醉
时间：2012.07.11
声明：
本文内容由自互联网资源（见参考资料）、个人的一些 C++
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写博缘由：
1.对C++多态内部机制了解的渴望；
2.眼过千遍，不如手过一遍；
3.整理成文，帮助自己记忆；不求帮到他人，只求不会误导。
一、背景知识（一些基本概念）
虚函数（Virtual Function）：在基类中声明为 virtual 并在一个或多个派生类中被重新定义的成员函数。
纯虚函数（Pure Virtual Function）：基类中没有实现体的虚函数称为纯虚函数（有纯虚函数的基类称为虚基类）。
C++ “虚函数”的存在是为了实现面向对象中的“多态”，即父类类别的指针（或者引用）指向其子类的实例，然后通过父类的指针（或者引用）调用实际子类的成员函数。通过动态赋值，实现调用不同的子类的成员函数（动态绑定）。正是因为这种机制，把析构函数声明为“虚函数”可以防止在内存泄露。
实例：
#include <iostream> using namespace std; class base_class { public: base_class() { } virtual ~base_class() { } int normal_func() { cout << "This is base_class's normal_func()" << endl; return 0; } virtual int virtual_fuc() { cout << "This is base_class's virtual_fuc()" << endl; return 0; } }; class drived_class1 : public base_class { public: drived_class1() { } virtual ~drived_class1() { } int normal_func() { cout << "This is drived_class1's normal_func()" << endl; return 0; } virtual int virtual_fuc() { cout << "This is drived_class1's virtual_fuc()" << endl; return 0; } }; class drived_class2 : public base_class { public: drived_class2() { } virtual ~drived_class2() { } int normal_func() { cout << "This is drived_class2's normal_func()" << endl; return 0; } virtual int virtual_fuc() { cout << "This is drived_class2's virtual_fuc()" << endl; return 0; } }; int main() { base_class * pbc = NULL; base_class bc; drived_class1 dc1; drived_class2 dc2; pbc = &bc; pbc->normal_func(); pbc->virtual_fuc(); pbc = &dc1; pbc->normal_func(); pbc->virtual_fuc(); pbc = &dc2; pbc->normal_func(); pbc->virtual_fuc(); return 0; }
输出结果：
This is base_class's normal_func() This is base_class's virtual_fuc() This is base_class's normal_func() This is drived_class1's virtual_fuc() This is base_class's normal_func() This is drived_class2's virtual_fuc()
假如将 base_class 类中的 virtual_fuc() 写成下面这样（纯虚函数，虚基类）：
// 无实现体 virtual int virtual_fuc() = 0;
那么 virtual_fuc() 是一个纯虚函数，base_class 就是一个虚基类：不能实例化（就是不能用它来定义对象），只能声明指针或者引用。读者可以自行测试，这里不再给出实例。
虚函数表(Virtual Table，V-Table)：使用 V-Table 实现 C++ 的多态。在这个表中，主要是一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中分配了指向这个表的指针的内存，所以，当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尤为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。
编译器应该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）。 这意味着可以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。
二、无继承时的虚函数表
#include <iostream> using namespace std; class base_class { public: virtual void v_func1() { cout << "This is base_class's v_func1()" << endl; } virtual void v_func2() { cout << "This is base_class's v_func2()" << endl; } virtual void v_func3() { cout << "This is base_class's v_func3()" << endl; } }; int main() { // 查看 base_class 的虚函数表 base_class bc; cout << "base_class 的虚函数表首地址为：" << (int*)&bc << endl; // 虚函数表地址存在对象的前四个字节 cout << "base_class 的 第一个函数首地址：" << (int*)*(int*)&bc+0 << endl; // 指针运算看不懂？没关系，一会解释给你听 cout << "base_class 的 第二个函数首地址：" << (int*)*(int*)&bc+1 << endl; cout << "base_class 的 第三个函数首地址：" << (int*)*(int*)&bc+2 << endl; cout << "base_class 的 结束标志: " << *((int*)*(int*)&bc+3) << endl; // 通过函数指针调用函数，验证正确性 typedef void(*func_pointer)(void); func_pointer fp = NULL; fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&bc+0); // v_func1() fp(); fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&bc+1); // v_func2() fp(); fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&bc+2); // v_func3() fp(); return 0; }
输出结果：
base_class 的虚函数表首地址为：0x22ff0c base_class 的 第一个函数首地址：0x472c98 base_class 的 第二个函数首地址：0x472c9c base_class 的 第三个函数首地址：0x472ca0 base_class 的虚函数表结束标志: 0 This is base_class's v_func1() This is base_class's v_func2() This is base_class's v_func3()
简单的解释一下代码中的指针转换：
&bc：获得 bc 对象的地址
(int*)&bc: 类型转换，获得虚函数表的首地址。这里使用 int* 的原因是函数指针的大小的 4byte，使用 int* 可以使得他们每次的偏移量保持一致（sizeof(int*) = 4，32-bit机器）。
*(int*)&bc：解指针引用，获得虚函数表。
(int*)*(int*)&bc+0：和上面相同的类型转换，获得虚函数表的第一个虚函数地址。
(int*)*(int*)&bc+1：同上，获得第二个函数地址。
(int*)*(int*)&bc+2：同上，获得第三个函数地址。
*((int*)*(int*)&bc+3：获得虚函数表的结束标志，所以这里我解引用了。和我们使用链表的情况是一样的，虚函数表当然也需要一个结束标志。
typedef void(*func_pointer)(void)：定义一个函数指针，参数和返回值都是 void。
*((int*)*(int*)&bc+0)：找到第一个函数，注意这里需要解引用。
对于指针的转换，我就解释这么多了。下面的文章，我不再做解释，相信大家可以举一反三。如果你觉得很费解的话，我不建议继续去看这篇文章了，建议你去补一补基础（《C和指针》是一本很好的选择哦！）。
通过上面的例子的尝试和输出结果，我们可以得出下面的布局图示：
三、单一继承下的虚函数表
3.1子类没有父类的虚函数（陈皓文章中用了“覆盖”一词，我觉得太合理，但是我又找不到更合理的词语，所以就用一个句子代替了。^-^）
#include <iostream> using namespace std; class base_class { public: virtual void v_func1() { cout << "This is base_class's v_func1()" << endl; } virtual void v_func2() { cout << "This is base_class's v_func2()" << endl; } virtual void v_func3() { cout << "This is base_class's v_func3()" << endl; } }; class dev_class : public base_class { public: virtual void v_func4() { cout << "This is dev_class's v_func4()" << endl; } virtual void v_func5() { cout << "This is dev_class's v_func5()" << endl; } }; int main() { // 查看 dev_class 的虚函数表 dev_class dc; cout << "dev_class 的虚函数表首地址为：" << (int*)&dc << endl; cout << "dev_class 的 第一个函数首地址：" << (int*)*(int*)&dc+0 << endl; cout << "dev_class 的 第二个函数首地址：" << (int*)*(int*)&dc+1 << endl; cout << "dev_class 的 第三个函数首地址：" << (int*)*(int*)&dc+2 << endl; cout << "dev_class 的 第四个函数首地址：" << (int*)*(int*)&dc+3 << endl; cout << "dev_class 的 第五个函数首地址：" << (int*)*(int*)&dc+4 << endl; cout << "dev_class 的虚函数表结束标志: " << *((int*)*(int*)&dc+5) << endl; // 通过函数指针调用函数，验证正确性 typedef void(*func_pointer)(void); func_pointer fp = NULL; for (int i=0; i<5; i++) { fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&dc+i); fp(); } return 0; }
输出结果：
dev_class 的虚函数表首地址为：0x22ff0c dev_class 的 第一个函数首地址：0x472d10 dev_class 的 第二个函数首地址：0x472d14 dev_class 的 第三个函数首地址：0x472d18 dev_class 的 第四个函数首地址：0x472d1c dev_class 的 第五个函数首地址：0x472d20 dev_class 的虚函数表结束标志: 0 This is base_class's v_func1() This is base_class's v_func2() This is base_class's v_func3() This is dev_class's v_func4() This is dev_class's v_func5()
通过上面的例子的尝试和输出结果，我们可以得出下面的布局图示：
可以看出，v-table中虚函数是顺序存放的，先基类后派生类。
3.2子类有重写父类的虚函数
include <iostream> using namespace std; class base_class { public: virtual void v_func1() { cout << "This is base_class's v_func1()" << endl; } virtual void v_func2() { cout << "This is base_class's v_func2()" << endl; } virtual void v_func3() { cout << "This is base_class's v_func3()" << endl; } }; class dev_class : public base_class { public: virtual void v_func1() { cout << "This is dev_class's v_func1()" << endl; } virtual void v_func2() { cout << "This is dev_class's v_func2()" << endl; } virtual void v_func4() { cout << "This is dev_class's v_func4()" << endl; } virtual void v_func5() { cout << "This is dev_class's v_func5()" << endl; } }; int main() { // 查看 dev_class 的虚函数表 dev_class dc; cout << "dev_class 的虚函数表首地址为：" << (int*)&dc << endl; cout << "dev_class 的 第一个函数首地址：" << (int*)*(int*)&dc+0 << endl; cout << "dev_class 的 第二个函数首地址：" << (int*)*(int*)&dc+1 << endl; cout << "dev_class 的 第三个函数首地址：" << (int*)*(int*)&dc+2 << endl; cout << "dev_class 的 第四个函数首地址：" << (int*)*(int*)&dc+3 << endl; cout << "dev_class 的 第五个函数首地址：" << (int*)*(int*)&dc+4 << endl; cout << "dev_class 的虚函数表结束标志: " << *((int*)*(int*)&dc+5) << endl; // 通过函数指针调用函数，验证正确性 typedef void(*func_pointer)(void); func_pointer fp = NULL; for (int i=0; i<5; i++) { fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&dc+i); fp(); } return 0; }
输出结果：
dev_class 的虚函数表首地址为：0x22ff0c dev_class 的 第一个函数首地址：0x472d50 dev_class 的 第二个函数首地址：0x472d54 dev_class 的 第三个函数首地址：0x472d58 dev_class 的 第四个函数首地址：0x472d5c dev_class 的 第五个函数首地址：0x472d60 dev_class 的虚函数表结束标志: 0 This is dev_class's v_func1() This is dev_class's v_func2() This is base_class's v_func3() This is dev_class's v_func4() This is dev_class's v_func5()
通过上面的例子的尝试和输出结果，我们可以得出下面的布局图示：
可以看出当派生类中 dev_class 中重写了父类 base_class 的前两个虚函数（v_func1，v_func2）之后，使用派生类的虚函数指针代替了父类的虚函数。未重写的父类虚函数位置没有发生变化。
不知道看到这里，你心里有没有一个小问题？至少我是有的。看下面的代码：
virtual void v_func1() { base_class::v_func1(); cout << "This is dev_class's v_func1()" << endl; }
既然派生类的虚函数表中用 dev_class::v_func1 指针代替了 base_class::v_func1，假如我显示的调用 base_class::v_func1，会不会有错呢？答案是没错的，可以正确的调用！不是覆盖了吗？dev_class 已经不知道 base_class::v_func1 的指针了，怎么调用的呢？
如果你想知道原因，请关注这两个帖子：
四、多重继承下的虚函数表
4.1子类没有重写父类的虚函数
#include <iostream> using namespace std; class base_class1 { public: virtual void bc1_func1() { cout << "This is bc1_func1's v_func1()" << endl; } }; class base_class2 { public: virtual void bc2_func1() { cout << "This is bc2_func1's v_func1()" << endl; } }; class dev_class : public base_class1, public base_class2 { public: virtual void dc_func1() { cout << "This is dc_func1's dc_func1()" << endl; } }; int main() { dev_class dc; cout << "dc 的虚函数表 bc1_vt 地址：" << (int*)&dc << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc1_vt 第一个虚函数地址：" << (int*)*(int*)&dc+0 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc1_vt 第二个虚函数地址：" << (int*)*(int*)&dc+1 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc1_vt 结束标志：" << *((int*)*(int*)&dc+2) << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc2_vt 地址：" << (int*)&dc+1 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc2_vt 第一个虚函数首地址：：" << (int*)*((int*)&dc+1)+0 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc2_vt 结束标志：" << *((int*)*((int*)&dc+1)+1) << endl; // 通过函数指针调用函数，验证正确性 typedef void(*func_pointer)(void); func_pointer fp = NULL; // bc1_vt fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&dc+0); fp(); fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&dc+1); fp(); // bc2_vt fp = (func_pointer)*(((int*)*((int*)&dc+1)+0)); fp(); return 0; }
输出结果：
dc 的虚函数表 bc1_vt 地址：0x22ff08 dc 的虚函数表 bc1_vt 第一个虚函数地址：0x472d38 dc 的虚函数表 bc1_vt 第二个虚函数地址：0x472d3c dc 的虚函数表 bc1_vt 结束标志：-4 dc 的虚函数表 bc2_vt 地址：0x22ff0c dc 的虚函数表 bc2_vt 第一个虚函数首地址：：0x472d48 dc 的虚函数表 bc2_vt 结束标志：0 This is bc1_func1's v_func1() This is dc_func1's dc_func1() This is bc2_func1's v_func1()
通过上面的例子的尝试和输出结果，我们可以得出下面的布局图示：
可以看出：多重继承的情况，会为每一个基类建一个虚函数表。派生类的虚函数放到第一个虚函数表的后面。
陈皓在他的文章中有这么一句话：“这个结束标志（虚函数表）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。”。那么，我在 Windows 7 + Code::blocks 10.05 下尝试，这个值是如果是 -4，表示还有下一个虚函数表，如果是0，表示是最后一个虚函数表。
我在 Windows 7 + vs2010 下尝试，两个值都是 0 。
4.2子类重写了父类的虚函数
#include <iostream> using namespace std; class base_class1 { public: virtual void bc1_func1() { cout << "This is base_class1's bc1_func1()" << endl; } virtual void bc1_func2() { cout << "This is base_class1's bc1_func2()" << endl; } }; class base_class2 { public: virtual void bc2_func1() { cout << "This is base_class2's bc2_func1()" << endl; } virtual void bc2_func2() { cout << "This is base_class2's bc2_func2()" << endl; } }; class dev_class : public base_class1, public base_class2 { public: virtual void bc1_func1() { cout << "This is dev_class's bc1_func1()" << endl; } virtual void bc2_func1() { cout << "This is dev_class's bc2_func1()" << endl; } virtual void dc_func1() { cout << "This is dev_class's dc_func1()" << endl; } }; int main() { dev_class dc; cout << "dc 的虚函数表 bc1_vt 地址：" << (int*)&dc << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc1_vt 第一个虚函数地址：" << (int*)*(int*)&dc+0 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc1_vt 第二个虚函数地址：" << (int*)*(int*)&dc+1 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc1_vt 第三个虚函数地址：" << (int*)*(int*)&dc+2 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc1_vt 第四个虚函数地址：" << (int*)*(int*)&dc+3 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc1_vt 结束标志：" << *((int*)*(int*)&dc+4) << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc2_vt 地址：" << (int*)&dc+1 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc2_vt 第一个虚函数首地址：：" << (int*)*((int*)&dc+1)+0 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc2_vt 第二个虚函数首地址：：" << (int*)*((int*)&dc+1)+1 << endl; cout << "dc 的虚函数表 bc2_vt 结束标志：" << *((int*)*((int*)&dc+1)+2) << endl; // 通过函数指针调用函数，验证正确性 typedef void(*func_pointer)(void); func_pointer fp = NULL; // bc1_vt fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&dc+0); fp(); fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&dc+1); fp(); fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&dc+2); fp(); fp = (func_pointer)*((int*)*(int*)&dc+3); fp(); // bc2_vt fp = (func_pointer)*(((int*)*((int*)&dc+1)+0)); fp(); fp = (func_pointer)*(((int*)*((int*)&dc+1)+1)); fp(); return 0; }
输出结果：
dc 的虚函数表 bc1_vt 地址：0x22ff08 dc 的虚函数表 bc1_vt 第一个虚函数地址：0x472e28 dc 的虚函数表 bc1_vt 第二个虚函数地址：0x472e2c dc 的虚函数表 bc1_vt 第三个虚函数地址：0x472e30 dc 的虚函数表 bc1_vt 第四个虚函数地址：0x472e34 dc 的虚函数表 bc1_vt 结束标志：-4 dc 的虚函数表 bc2_vt 地址：0x22ff0c dc 的虚函数表 bc2_vt 第一个虚函数首地址：：0x472e40 dc 的虚函数表 bc2_vt 第一个虚函数首地址：：0x472e44 dc 的虚函数表 bc2_vt 结束标志：0 This is dev_class's bc1_func1() This is base_class1's bc1_func2() This is dev_class's bc2_func1() This is dev_class's dc_func1() This is dev_class's bc2_func1() This is base_class2's bc2_func2()
通过上面的例子的尝试和输出结果，我们可以得出下面的布局图示：
是不是感觉很乱？其实一点都不乱！就是两个单继承而已。把多余的部分（派生类的虚函数）增加到第一个虚函数表的最后，CB（Code::Blocks）是这样实现的。我试了一下，vs2010不是这样实现的，读者可以自己尝试一下。本文只针对 CB 来探讨。
有人觉得多重继承不好理解。我想如果你明白了它的虚函数表是怎么样的，也就没什么不好理解了吧。
也许还有人会说，不同的编译器实现方式是不一样的，我去研究某一种编译器的实现有什么意义呢？我个人理解是这样的：1.实现方式是不一样的，但是它们的实现结果是一样的（多态）。2.无论你了解虚函数表或者不了解虚函数表，我相信你都很少会用到它。但是当你了解了它的实现机制之后，你再去看多态，再去写虚函数的时候[作为你一个coder]，相信你的感觉是不一样的。你会感觉很透彻，不会有丝毫的犹豫。3.学习编译器这种处理问题的方式（思想），这才是最重要的。[好像扯远了，^-^]。
如果你了解了虚函数表之后，可以通过虚函数表直接访问类的方法，这种访问是不受成员的访问权限限制的（private，protected）。这样做是很危险的，但是确实是可以这样做的。这也是C++为什么很危险的语言的一个原因……
看完之后，你不是产生了许多其他的问题呢？至少我有了几个问题[我这人问题特别多。^-^]比如：
1.访问权限是怎么实现的？编译器怎么知道哪些函数是public，哪些是protected？
2.虚函数调用是通过虚函数表实现的，那么非虚成员函数存放在哪里？是怎么实现的呢？
3.类的成员存放在什么位置？怎么继承的呢？[这是对象布局问题，=.=]
你知道的越多，你感觉你知道的越少。推荐大家一本书吧，《深度探索C++对象模型》（英文名字是《Inside to C++ Object Model》），看完你会明白很多。
感谢阅读，下面列出参考资料[顺便给大家推荐一下陈皓的博客吧:http://coolshell.cn/，经常去逛逛，会学到很多，至少我是这样觉得的。^-^]：
1.http://blog.csdn.net/haoel/article/details/1948051/
2.http://baike.baidu.com/view/3750123.htm
3.http://www.cnblogs.com/wirelesser/archive/2008/03/09/1097463.html
2012.07.20 update：
1.本文只针对 Windows 7 Code::blocks 10.05 进行测试和讲解；
2.不同的编译器实现方式可能不同，比如 VS2010 和 CB 10.05 就有些不同，感兴趣的朋友可自行测试。
感谢 Adoo 的提醒，文章中以上两点有所提示，但是不是很明显，确实应该很明确的说清楚这个问题。
