C 虛函式表剖析

為了實現c++的多型，c++使用了一種動態繫結的技術。這個技術的核心是虛函式表（下文簡稱虛表）。本文介紹虛函式表是如何實現動態繫結的。

每個包含了虛函式的類都包含乙個虛表。

我們知道，當乙個類（a）繼承另乙個類（b）時，類a會繼承類b的函式的呼叫權。所以如果乙個基類包含了虛函式，那麼其繼承類也可呼叫這些虛函式，換句話說，乙個類繼承了包含虛函式的基類，那麼這個類也擁有自己的虛表。

我們來看以下的**。類a包含虛函式vfunc1，vfunc2，由於類a包含虛函式，故類a擁有乙個虛表。

class a ;

類a的虛表如圖1所示。

圖1：類a的虛表示意圖

虛表是乙個指標陣列，其元素是虛函式的指標，每個元素對應乙個虛函式的函式指標。需要指出的是，普通的函式即非虛函式，其呼叫並不需要經過虛表，所以虛表的元素並不包括普通函式的函式指標。

虛表內的條目，即虛函式指標的賦值發生在編譯器的編譯階段，也就是說在**的編譯階段，虛表就可以構造出來了。

虛表是屬於類的，而不是屬於某個具體的物件，乙個類只需要乙個虛表即可。同乙個類的所有物件都使用同乙個虛表。

為了指定物件的虛表，物件內部包含乙個虛表的指標，來指向自己所使用的虛表。為了讓每個包含虛表的類的物件都擁有乙個虛表指標，編譯器在類中新增了乙個指標，*__vptr，用來指向虛表。這樣，當類的物件在建立時便擁有了這個指標，且這個指標的值會自動被設定為指向類的虛表。

圖2：物件與它的虛表

上面指出，乙個繼承類的基類如果包含虛函式，那個這個繼承類也有擁有自己的虛表，故這個繼承類的物件也包含乙個虛表指標，用來指向它的虛表。

說到這裡，大家一定會好奇c++是如何利用虛表和虛表指標來實現動態繫結的。我們先看下面的**。

class a ;
class b : public a ;
class c: public b ;

類a是基類，類b繼承類a，類c又繼承類b。類a，類b，類c，其物件模型如下圖3所示。

圖3：類a，類b，類c的物件模型

由於這三個類都有虛函式，故編譯器為每個類都建立了乙個虛表，即類a的虛表（a vtbl），類b的虛表（b vtbl），類c的虛表（c vtbl）。類a，類b，類c的物件都擁有乙個虛表指標，*__vptr，用來指向自己所屬類的虛表。

類a包括兩個虛函式，故a vtbl包含兩個指標，分別指向a::vfunc1()和a::vfunc2()。

類b繼承於類a，故類b可以呼叫類a的函式，但由於類b重寫了b::vfunc1()函式，故b vtbl的兩個指標分別指向b::vfunc1()和a::vfunc2()。

類c繼承於類b，故類c可以呼叫類b的函式，但由於類c重寫了c::vfunc2()函式，故c vtbl的兩個指標分別指向b::vfunc1()（指向繼承的最近的乙個類的函式）和c::vfunc2()。

雖然圖3看起來有點複雜，但是只要抓住「物件的虛表指標用來指向自己所屬類的虛表，虛表中的指標會指向其繼承的最近的乙個類的虛函式」這個特點，便可以快速將這幾個類的物件模型在自己的腦海中描繪出來。

非虛函式的呼叫不用經過虛表，故不需要虛表中的指標指向這些函式。

假設我們定義乙個類b的物件bobject。由於bobject是類b的乙個物件，故bobject包含乙個虛表指標，指向類b的虛表。

int main()

現在，我們宣告乙個類a的指標p來指向物件bobject。雖然p是基類的指標只能指向基類的部分，但是虛表指標亦屬於基類部分，所以p可以訪問到物件bobject的虛表指標。bobject的虛表指標指向類b的虛表，所以p可以訪問到b vtbl。如圖3所示。

int main()

當我們使用p來呼叫vfunc1()函式時，會發生什麼現象？

int main()

程式在執行p->vfunc1()時，會發現p是個指標，且呼叫的函式是虛函式，接下來便會進行以下的步驟。

首先，根據虛表指標p->__vptr來訪問物件bobject對應的虛表。雖然指標p是基類a*型別，但是*__vptr也是基類的一部分，所以可以通過p->__vptr可以訪問到物件對應的虛表。

然後，在虛表中查詢所呼叫的函式對應的條目。由於虛表在編譯階段就可以構造出來了，所以可以根據所呼叫的函式定位到虛表中的對應條目。對於p->vfunc1()的呼叫，b vtbl的第一項即是vfunc1對應的條目。

最後，根據虛表中找到的函式指標，呼叫函式。從圖3可以看到，b vtbl的第一項指向b::vfunc1()，所以p->vfunc1()實質會呼叫b::vfunc1()函式。

如果p指向類a的物件，情況又是怎麼樣？

int main()

當aobject在建立時，它的虛表指標__vptr已設定為指向a vtbl，這樣p->__vptr就指向a vtbl。vfunc1在a vtbl對應在條目指向了a::vfunc1()函式，所以p->vfunc1()實質會呼叫a::vfunc1()函式。

可以把以上三個呼叫函式的步驟用以下表示式來表示：

(*(p->__vptr)[n])(p)

可以看到，通過使用這些虛函式表，即使使用的是基類的指標來呼叫函式，也可以達到正確呼叫執行中實際物件的虛函式。

我們把經過虛表呼叫虛函式的過程稱為動態繫結，其表現出來的現象稱為執行時多型。動態繫結區別於傳統的函式呼叫，傳統的函式呼叫我們稱之為靜態繫結，即函式的呼叫在編譯階段就可以確定下來了。

那麼，什麼時候會執行函式的動態繫結？這需要符合以下三個條件。

通過指標來呼叫函式

指標upcast向上轉型（繼承類向基類的轉換稱為upcast，關於什麼是upcast，可以參考本文的參考資料）

呼叫的是虛函式

如果乙個函式呼叫符合以上三個條件，編譯器就會把該函式呼叫編譯成動態繫結，其函式的呼叫過程走的是上述通過虛表的機制。

封裝，繼承，多型是物件導向設計的三個特徵，而多型可以說是物件導向設計的關鍵。c++通過虛函式表，實現了虛函式與物件的動態繫結，從而構建了c++物件導向程式設計的基石。