浅析虚函数的vptr和虚函数表

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浅析虚函数的vptr和虚函数表
- 前言
- 1. 基础理论
- 2. 实现与内部结构

前言

为了实现虚函数，C++使用一种称为虚拟表的特殊形式的后期绑定。该虚拟表是用于解决在动态/后期绑定方式的函数调用函数的查找表。虚拟表有时会使用其他名称，例如 “vtable”，“虚函数表”，“虚方法表” 或 “调度表”。本文就实际案例出发，对虚表指针和虚函数表的模型进行刻画。

1. 基础理论

首先，每个使用虚函数的类（或者从使用虚函数的类派生）都有自己的虚拟表。该表只是编译器在编译时设置的静态数组。虚拟表包含可由类的对象调用的每个虚函数的一个条目。此表中的每个条目只是一个函数指针，指向该类可访问的派生函数。

其次，编译器还会添加一个隐藏指向基类的指针，我们称之为 vptr。vptr在创建类实例时自动设置，以便指向该类的虚拟表。与this指针不同，this指针实际上是编译器用来解析自引用的函数参数，vptr是一个真正的指针。

因此，vptr使每个类对象的分配大一个指针的大小。这也意味着vptr由派生类继承，这很重要。

2. 实现与内部结构

下面我们来看自动与手动操纵vptr来获取地址与调用虚函数！

开始看代码之前，为了方便理解，这里给出调用图：

在这里插入图片描述

#include <iostream>

using namespace std;

/**
 * @brief 函数指针
 */
typedef void (*Fun)();

/**
 * @brief 基类
 */
class Base
{
public:
	Base() {};
	virtual void fun1() { cout << "Base::fun1()" << endl; }
	virtual void fun2() { cout << "Base::fun2()" << endl; }
	virtual void fun3() {}    // 注意虚函数fun3()未被子类重写
	~Base() {};
};

/**
 * @brief 派生类
 */
class Derived : public Base
{
public:
	Derived() {};
	void fun1() { cout << "Derived::fun1()" << endl; }
	void fun2() { cout << "DerivedClass::fun2()" << endl; }
	~Derived() {};
};

/**
 * @brief
 * 获取vptr地址与func地址,vptr指向的是一块内存，这块内存存放的是虚函数地址，这块内存就是我们所说的虚表
 *
 * @param obj
 * @param offset
 *
 * @return
 */
Fun getAddr(void* obj, unsigned int offset)
{
	cout << "=======================" << endl;
	void* vptr_addr =
		(void*)*(unsigned long*)obj; // 64位操作系统，占8字节，通过*(unsigned
	// long *)obj取出前8字节，即vptr指针
	printf("vptr_addr:%p\n", vptr_addr);

	/*
	 * @brief 通过vptr指针访问virtual
	 * table，因为虚表中每个元素(虚函数指针)在64位编译器下是8个字节，因此通过*(unsigned
	 * long *)vptr_addr取出前8字节， 后面加上偏移量就是每个函数的地址！
	 */
	void* func_addr = (void*)*((unsigned long*)vptr_addr + offset);
	printf("func_addr:%p\n", func_addr);
	return (Fun)func_addr;
}

int main(void)
{
	Base ptr;
	Derived d;
	Base* pt = new Derived(); // 基类指针指向派生类实例
	Base& pp = ptr; // 基类引用指向基类实例
	Base& p = d; // 基类引用指向派生类实例
	cout << "基类对象直接调用" << endl;
	ptr.fun1();
	cout << "基类引用指向基类实例" << endl;
	pp.fun1();
	cout << "基类指针指向派生类实例并调用虚函数" << endl;
	pt->fun1();
	cout << "基类引用指向派生类实例并调用虚函数" << endl;
	p.fun1();

	// 手动查找vptr 和 vtable
	Fun f1 = getAddr(pt, 0);
	(*f1)();
	Fun f2 = getAddr(pt, 1);
	(*f2)();
	delete pt;
	return 0;
}

运行结果：

基类对象直接调用
Base::fun1()
基类引用指向基类实例
Base::fun1()
基类指针指向派生类实例并调用虚函数
Derived::fun1()
基类引用指向派生类实例并调用虚函数
Derived::fun1()
=======================
vptr_addr:00EBAB68
func_addr:00EB1217
Derived::fun1()
=======================
vptr_addr:00EBAB68
func_addr:00EB126C
DerivedClass::fun2()