C 虛函式表及虛函式執行原理詳解

為了實現虛函式，c++ 使用了虛函式表來達到延遲繫結的目的。虛函式表在動態/延遲繫結行為中用於查詢呼叫的函式。

儘管要描述清楚虛函式表的機制會多費點口舌，但其實其本身還是比較簡單的。

首先，每個包含虛函式的類（或者繼承自的類包含了虛函式）都有乙個自己的虛函式表。這個表是乙個在編譯時確定的靜態陣列。虛函式表包含了指向每個虛函式的函式指標以供類物件呼叫。

其次，編譯器還在基類中定義了乙個隱藏指標，我們稱為 *__vptr ， *__vptr 是在類例項建立時自動設定的，以指向類的虛函式表。 *__vptr 是乙個真正的指標，這和 *this 指標不同， *this 指標實際是乙個函式引數，使編譯器來達到自引用的目的。

結果就是，每個類物件都會多分配乙個指標的大小，並且 *__vptr 是被派生類繼承的。

如果你不清楚這些元件是怎麼配合運作的，看下面的例子：

class base

public:

virtual void function1() {};

virtual void function2() {};

class d1: public base

public:

virtual void function1() {};

class d2: public base

public:

virtual void function2() {};

然後編譯器會在使用了虛函式的最上層基類中定義乙個隱藏指標。儘管這個過程編譯器會自動處理，但我們還是通過下面的例子來說明指標新增的位置：

class base

public:

functionpointer *__vptr;

virtual void function1() {};

virtual void function2() {};

class d1: public base

public:

virtual void function1() {};

class d2: public base

public:

virtual void function2() {};

現在我們來看下虛函式表是怎麼建立的。因為示例中每個類僅有 2 個虛函式，所以每個虛函式表會存放兩個函式指標（分別指向 function1() 和 function2() ）。

base 物件的虛函式表最簡單。base 物件只能訪問 base 型別的成員，不能訪問 d1 或者 d2 的函式。所以 base 的虛函式表中的兩個指標分別指向 base::function1() 和 base::function2()。

d1 的虛函式表稍複雜點， d1 物件能夠訪問 d1 以及 base 的成員。 d1 重寫了 function1() ，但沒有重寫 function2() ，所以 d1 的虛函式表中的兩個指標分別指向 d1::function1()和 base::function2() 。

d2 的虛函式表同理 d1 ，包含了分別指向 base::function1() 和 d2::function2() 的指標。

考慮如果建立 d1 物件時會發生什麼：

int main()

d1 d1;

現在建立乙個 base 型別指標 *dptr 指向 d1 ：

int main()

d1 d1;

base *dptr = &d1;

return 0;

因為 dptr 是 base 型別指標，它只指向 d1 物件的 base 型別部分(即，指向 d1 物件中的 base 子物件)，而 *__vptr 也在 base 型別部分。所以 dptr 可以訪問 base 型別部分中的 *__vptr 。同時，這裡注意， dptr->__vptr 指向的是 d1 的虛函式表，這是在 d1 初始化時就確定的。所以結果，儘管 dptr 是 base 型別指標，但它能夠訪問 d1 的虛函式表。

因此，當有呼叫 dptr->function1() 時，發生了什麼？

int main()

d1 d1;

base *dptr = &d1;

dptr->function1();

return 0;

其次，程式使用 dptr->__vptr 獲取到了 d1 的虛函式表。

然後，它在 d1 的虛函式表中尋找可以呼叫的 function1() 版本，這裡是 d1::function1()。

因此， dptr->function1() 實際呼叫了 d1::function1() 。

通過虛函式表，編譯器和程式能夠確定呼叫什麼版本的虛函式，儘管使用的是指向/引用基類的指標或者引用。

呼叫虛函式會比呼叫非虛函式更慢，有以下幾個原因：

*__vptr

結果就是必須進行三次操作才能完成對函式的呼叫。但是對於現代計算機系統，這些額外操作增加的時間幾乎可以忽略不計。

另外，每個使用虛函式表的類都有 *__vptr 指標，從而每個類物件都會多乙個指標的空間。虛函式很強大，但是它確實產生了效能開銷。

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