C++虚表，你搞懂了吗？

前言

咱们说的虚表其实有不少种叫法：

• virtual method table（VMT）
• virtual function table(vftable)
• virtual call table
• dispatch table
• vtable

这些都是虚表的意思。虚表是一种利用程序语言实现的dynamic dispatch机制，或者说runtime method binding机制，也就是咱们说的多态。

注：笔者在本文使用C++语言，而且统一用vTable来表示虚表。

虚函数

用virtual关键字修饰的函数就叫虚函数。

由于vTable(虚表)是C++利用runtime来实现多态的工具，因此咱们须要借助virtual关键字将函数代码地址存入vTable来躲开静态编译期。这里咱们先不深刻探究，后面我会细说。

首先咱们先来看一个没有虚函数，即没有用到vTable的例子：

#include <iostream> #include <ctime> using std::cout; using std::endl; struct Animal { void makeSound() { cout << "动物叫了" << endl; } }; struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } }; struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "猪叫了" << endl; } }; struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驴叫了" << endl; } }; int main(int argc, const char * argv[]) { srand((unsigned)time(0)); int count = 4; while (count --) { Animal *animal = nullptr; switch (rand() % 3) { case 0: animal = new Cow; break; case 1: animal = new Pig; break; case 2: animal = new Donkey; break; } animal->makeSound(); delete animal; } return 0; }

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#include <iostream> #include <ctime> using std::cout; using std::endl;   struct Animal { void makeSound() { cout << "动物叫了" << endl; } };   struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } }; struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "猪叫了" << endl; } }; struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驴叫了" << endl; } };   int main(int argc, const char * argv[]) {     srand((unsigned)time(0));     int count = 4;     while (count --) {         Animal *animal = nullptr;         switch (rand() % 3) {             case 0:                 animal = new Cow;                 break;             case 1:                 animal = new Pig;                 break;             case 2:                 animal = new Donkey;                 break;         }         animal->makeSound();         delete animal;     }     return 0; }

程序中有一个基类Animal，它有一个makeSound()函数。有三个继承自Animal的子类，分别是牛、猪、驴，而且实现了本身的makeSound()方法。很简单的代码，是吧。

咱们运行程序，你以为输出结果会是什么呢？不错，这里会连续执行4次Animal的makeSound()方法，结果以下：

为何？由于咱们的基类Animal的makeSound()方法没有使用Virtual修饰，因此在静态编译时就makeSound()的实现就定死了。调用makeSound()方法时，编译器发现这是Animal指针，就会直接jump到makeSound()的代码段地址进行调用。

ok，那么咱们把Animal的makeSound()改成虚函数，以下：

struct Animal { virtual void makeSound() { cout << "动物叫了" << endl; } };

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struct Animal {     virtual void makeSound()         {            cout << "动物叫了" << endl;         } };

运行会是怎样？如你所料，多态已经成功实现：

接下来就是你们最关心的部分，这是怎么回事？编译器到底作了什么？

虚表

为了说明方便，咱们须要修改一下基类Animal的代码，不改变其余子类，修改以下：

struct Animal { virtual void makeSound() { cout << "动物叫了" << endl; } virtual void walk() {} void sleep() {} }; struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } }; struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "猪叫了" << endl; } }; struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驴叫了" << endl; } };

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struct Animal {     virtual void makeSound() { cout << "动物叫了" << endl; }     virtual void walk() {}     void sleep() {} };   struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } }; struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "猪叫了" << endl; } }; struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驴叫了" << endl; } };

首先咱们须要知道几个关键点：

1. 函数只要有virtual，咱们就须要把它添加进vTable。
2. 每一个类(而不是类实例)都有本身的虚表，所以vTable就变成了vTables。
3. 虚表存放的位置通常存放在模块的常量段中，从始至终都只有一份。详情可在此参考

咱们怎么理解？从本例来看，咱们的Animal、Cow、Pig、Donkey类都有本身的虚表，而且虚表里都有两个地址指针指向makeSound()和walk()的函数地址。一个指针4个字节，所以每一个vTable的大小都是8个字节。如图：

他们的虚表中记录着不一样函数的地址值。能够看到Cow、Pig、Donkey重写了makeSound()函数可是没有重写walk()函数。所以在调用makeSound()时，就会直接jump到本身实现的code Address。而调用walk()时，则会jump到Animal父类walk的Code Address。

虚指针

如今咱们已经知道虚表的数据结构了，那么咱们在堆里实例化类对象时是怎么样调用到相应的函数的呢？这就要借助到虚指针了(vPointer)。

虚指针是类实例对象指向虚表的指针，存在于对象头部,大小为4个字节，好比咱们的Donkey类的实例化对象数据结构就以下：

咱们修改main函数里的代码，以下：

int main(int argc, const char * argv[]) { int count = 2; while (count --) { Animal *animal = new Donkey; animal->makeSound(); delete animal; } return 0; }

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int main(int argc, const char * argv[]) {     int count = 2;     while (count --) {         Animal *animal = new Donkey;         animal->makeSound();         delete animal;     }     return 0; }

咱们在堆中生成了两个Donkey实例，运行结果以下：

驴叫了 驴叫了 Program ended with exit code: 0

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驴叫了 驴叫了 Program ended with exit code: 0

没问题。而后咱们再来看看堆里的结构，就变成了这样：

还有什么是这张图不能说明的呢？