深度剖析C++虚表工作机制讲述("深入解析C++虚表机制：原理与实现详解")

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ithorizon 7个月前 (10-20) 阅读数 16 #后端开发

深入解析C++虚表机制：原理与实现详解

一、引言

在C++中，多态是一个核心特性，允许我们使用基类指针或引用来调用派生类的函数。这一特性是通过虚函数和虚表（vtable）来实现的。本文将深入剖析C++虚表的工作机制，探讨其原理与实现细节。

二、虚函数与多态

在C++中，当我们定义一个类并包含至少一个虚函数时，编译器会为这个类生成一个虚表。虚表是一个包含指向类中虚函数的指针的数组。当我们通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会结合对象的实际类型来查找虚表，并调用相应的函数。

三、虚表的实现原理

以下是一个明了的示例，用于说明虚表的实现原理：


class Base {
public:
    virtual void Show() {
        std::cout << "Base class Show function called." << std::endl;
    }
};
class Derived : public Base {
public:
    void Show() override {
        std::cout << "Derived class Show function called." << std::endl;
    }
};

在这个例子中，编译器会为Base类和Derived类分别生成一个虚表。虚表的结构如下：

Base vtable:

0 - Base::Show

Derived vtable:

0 - Derived::Show

当我们创建一个Base类的对象b，并将其赋值给一个Base类的指针时，虚表指针会指向Base类的虚表：


Base *b = new Base();

当我们通过b指针调用Show函数时，程序会查找Base类的虚表，并调用Base类的Show函数。如果我们创建一个Derived类的对象d，并将其赋值给一个Base类的指针时，虚表指针会指向Derived类的虚表：


Base *d = new Derived();

此时，当我们通过d指针调用Show函数时，程序会查找Derived类的虚表，并调用Derived类的Show函数。

四、虚表的动态创建与更新

虚表是在类加载时动态创建的，并在运行时进行更新。以下是一个明了的示例，说明虚表的动态创建与更新过程：


class Base {
public:
    virtual void Show() {
        std::cout << "Base class Show function called." << std::endl;
    }
};
class Derived : public Base {
public:
    void Show() override {
        std::cout << "Derived class Show function called." << std::endl;
    }
};
class MoreDerived : public Derived {
public:
    void Show() override {
        std::cout << "MoreDerived class Show function called." << std::endl;
    }
};

在这个例子中，当程序运行时，编译器会为Base类、Derived类和MoreDerived类分别创建虚表。假设虚表的结构如下：

Base vtable:

0 - Base::Show

Derived vtable:

0 - Derived::Show

MoreDerived vtable:

0 - MoreDerived::Show

当我们创建一个Base类的对象b，并将其赋值给一个Base类的指针时，虚表指针会指向Base类的虚表：


Base *b = new Base();


Base *d = new Derived();

此时，当我们通过d指针调用Show函数时，程序会查找Derived类的虚表，并调用Derived类的Show函数。

如果我们现在创建一个MoreDerived类的对象md，并将其赋值给一个Base类的指针时，虚表指针会指向MoreDerived类的虚表：


Base *md = new MoreDerived();

此时，当我们通过md指针调用Show函数时，程序会查找MoreDerived类的虚表，并调用MoreDerived类的Show函数。在这个过程中，虚表会结合对象的实际类型动态更新。

五、虚函数的覆盖与重写

在C++中，当我们派生一个类时，可以覆盖（override）或重写（overwrite）基类中的虚函数。覆盖是指派生类中的函数与基类中的虚函数具有相同的签名和返回类型。重写是指派生类中的函数与基类中的虚函数具有不同的签名或返回类型。

以下是一个示例，说明虚函数的覆盖与重写：


class Base {
public:
    virtual void Show() {
        std::cout << "Base class Show function called." << std::endl;
    }
};
class Derived : public Base {
public:
    void Show() override {
        std::cout << "Derived class Show function called." << std::endl;
    }
    
    void Show(int x) {
        std::cout << "Derived class Show function with int parameter called." << std::endl;
    }
};

在这个例子中，Derived类覆盖了Base类中的Show函数，并添加了一个新的Show函数，该函数接受一个int类型的参数。当我们创建一个Derived类的对象d，并将其赋值给一个Base类的指针时，虚表指针会指向Derived类的虚表：


Base *d = new Derived();

此时，当我们通过d指针调用Show函数时，程序会查找Derived类的虚表，并调用Derived类覆盖的Show函数。如果我们尝试通过d指针调用带参数的Show函数，编译器会报错，归因于基类中没有这样的函数：


d->Show(10); // Error: function 'void Derived::Show(int)' not found

这是归因于虚函数的覆盖要求派生类中的函数与基类中的虚函数具有相同的签名和返回类型。如果我们想要调用Derived类中带参数的Show函数，我们需要将指针成为Derived类的指针：


Derived *d2 = static_cast(d);
d2->Show(10); // OK: Derived class Show function with int parameter called.

六、虚继承与虚表

在C++中，当我们使用虚继承时，虚表机制会变得更加纷乱。虚继承允许派生类共享基类的虚表，从而避免重复的虚函数调用。以下是一个示例，说明虚继承与虚表的关系：


class Base {
public:
    virtual void Show() {
        std::cout << "Base class Show function called." << std::endl;
    }
};
class Intermediate : virtual public Base {
};
class Derived : virtual public Base {
public:
    void Show() override {
        std::cout << "Derived class Show function called." << std::endl;
    }
};