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虚函数表剖析,第五周笔记新普京网站:

2019/12/29 22:05

一、概述

为了实现C++的多态,C++使用了一种动态绑定的技术。这个技术的核心是虚函数表(下文简称虚表)。本文介绍虚函数表是如何实现动态绑定的。

class A {  
public:  
    virtual void vfunc1() { cout << "A::vfunc1n"; }  
    virtual void vfunc2() { cout << "A::vfunc2n"; }  
    void func1() { cout << "A::func1n"; }  
    void func2() { cout << "A::func2n"; }  
};  

class B : public A {  
public:  
    virtual void vfunc1() { cout << "B::vfunc1n"; }  
    void funcb() { cout << "B::funcbn"; }  
};  

class C : public B {  
public:  
    virtual void vfunc1() { cout << "C::vfunc1n"; }  
    void funcc() { cout << "C::funccn"; }  
};  

参考资料

  • 《C++ Primer》第三版,中文版,潘爱民等译
  • 侯捷《C++最佳编程实践》视频,极客班,2015
  • Upcasting and Downcasting, 

非虚成员函数:A::func1(),A::func2(),B::funcb(),C::funcc()会单独在内存里存一份
虚成员函数:A::vfunc1(),A::vfunc2(),B::vfunc1(),C::vfunc1()也会单独存一份,但是这四个虚函数会由虚函数表来记录,由于这个例子里有三个类,因此内存里会有三份虚函数B::vfunc1(),A::vfunc2(),表,我们假设它们为A,B,C表。 A表里会有两个指针,分别指向A::vfunc1(),A::vfunc2()的地址,B表里两个指针,分别指向B::vfunc1(),A::vfunc2(),同理,C表里的指针指向C::vfunc1(),A::vfunc2()。
对于用基类指针new子类的情况:A pa = new B; 这个实例对象里放的也是B类对应的虚函数表,因为编译器做了个向上转型(upcasting)。
其实理解了虚函数表在内存的形式后,调用虚函数的代码可以这么表示: (
(pa->vptr)[n])(pa) 因为第一个参数肯定是*this。

附录

示例代码

1.new T
第一种new最简单,调用类的(如果重载了的话)或者全局的operator new分配空间,然后用类型后面列的参数来调用构造函数
2. new T[]
这种new用来创建一个动态的对象数组,他会调用对象的operator new[]来分配内存(如果没有则调用operator new,搜索顺序同上),然后调用对象的默认构造函数初始化每个对象
3.new()T 和new() T[]
这是个带参数的new,这种形式的new会调用operator new(size_t,OtherType)来分配内存
这里的OtherType要和new括号里的参数的类型兼容,这种语法通常用来在某个特定的地址构件对象,称为placement new,前提是operator new(size_t,void*)已经定义,通常编译器已经提供了一个实现,包含头文件即可,这个实现只是简单的把参数的指定的地址返回,因而new()运算符就会在括号里的地址上创建对象.需要说明的是,第二个参数不是一定要是void*,可以识别的合法类型,这时候由C++的重载机制来决定调用那个operator new.当然,我们可以提供自己的operator new(size_,Type),来决定new的行为
4. operator new(size_t)
这个的运算符分配参数指定大小的内存并返回首地址,可以为自定义的类重载这个运算符,方法就是在类里面声明加上void *operator new(size_t size)
5.operator new[](size_t)
这个也是分配内存,,只不过是专门针对数组,也就是new T[]这种形式,当然,需要时可以显式调用
6.operator new(size_t size, OtherType other_value)和operator new[](size_t size, OtherType other_value)
需要强调的是,new用来创建对象并分配内存,它的行为是不可改变的,可以改变的是各种operator new,我们就可以通过重载operator new来实现我们的内存分配方案.

二、类的虚表

每个包含了虚函数的类都包含一个虚表。

我们知道,当一个类(A)继承另一个类(B)时,类A会继承类B的函数的调用权。所以如果一个基类包含了虚函数,那么其继承类也可调用这些虚函数,换句话说,一个类继承了包含虚函数的基类,那么这个类也拥有自己的虚表。

我们来看以下的代码。类A包含虚函数vfunc1,vfunc2,由于类A包含虚函数,故类A拥有一个虚表。

class A {
public:
    virtual void vfunc1();
    virtual void vfunc2();
    void func1();
    void func2();
private:
    int m_data1, m_data2;
};

类A的虚表如图1所示。

新普京网站 1 图1:类A的虚表示意图

虚表是一个指针数组,其元素是虚函数的指针,每个元素对应一个虚函数的函数指针。需要指出的是,普通的函数即非虚函数,其调用并不需要经过虚表,所以虚表的元素并不包括普通函数的函数指针。
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。

全局的new有六种重载形式:
void *operator new(std::size_t count)

throw(std::bad_alloc);             //一般的版本

void *operator new(std::size_t count,  //兼容早版本的new

const std::nothrow_t&) throw();    //内存分配失败不会抛出异常

void *operator new(std::size_t count, void *ptr) throw();

//placement版本

void *operator new[](std::size_t count)  //

throw(std::bad_alloc);

void *operator new[](std::size_t count,  //

const std::nothrow_t&) throw();

void *operator new[](std::size_t count, void *ptr) throw();

三、虚表指针

虚表是属于类的,而不是属于某个具体的对象,一个类只需要一个虚表即可。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,对象内部包含一个虚表的指针,来指向自己所使用的虚表。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类的虚表。

新普京网站 2 图2:对象与它的虚表

上面指出,一个继承类的基类如果包含虚函数,那个这个继承类也有拥有自己的虚表,故这个继承类的对象也包含一个虚表指针,用来指向它的虚表。

2.动态绑定
为了C++的多态性,是有动态绑定和静态绑定这两种说法的:
静态绑定:绑定的对象是静态类型,也就是编译期就能决定的,是确定的,不会更改的,比如 A a; a的内容虽然会在运行期发生改变,但是a就是a,这点是不会变的。
动态绑定:绑定的对象是动态类型,动态类型就是指在编译期无法决定的,因为它可能在运行期发生改变,比如指针:A* pa; pa可以在运行时重新指向其他对象,或者转型指向B类或者C类。

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