（一图胜千言）虚函数实现机制（Vptr, Vtbl）

1. 摘要

讲解C++中虚函数的实现机制，主要是Vptr和Vtbl的讲解，有了虚函数才可以拥有像多态这种强大的功能。
虚函数主要是出现在类的继承体系中。

2.虚指针vptr和虚表vtbl

虚指针及虚表的概念(来自参考资料5)
首先要清楚，所谓指针其实质就是一个内存地址值，形如0x12345678；其次，要知道，函数名本身就是一个地址。
虚指针：其实就是一个地址值，以该地址为起始地址的一片内存单元存放着各虚函数的入口地址，这一片内存单元合起来就称为虚函数表（想象一下：一片内存单元存着许多函数地址，想执行哪个虚函数就来这片内存单元查找该虚函数的入口地址，就像查表一样，故称虚函数表）。经过以上解释，可以发现，所谓虚指针，就是个指向指针的指针。

2.1. 从上图可以看出：

基类和派生类的第一个条目存放的是虚指针，虚指针指的是虚表vtbl的起始地址，虚表中存放的是虚函数的入口地址，可以通过函数指针获取到对应的函数去执行。
相关的代码见下节。

3. 相关代码

#include <iostream>No virtual class/
class Animal {public:void eat() {std::cout << "I'm eating generic food." << std::endl;}void shout() {std::cout << "I'm shouting genericly." << std::endl;}
};class Cat : public Animal {public:void eat() {std::cout << "I'm eating a rat." << std::endl;}void shout() {std::cout << "I'm shouting with meow" << std::endl;}};void distinguish(Animal* obj) {obj->eat();obj->shout();
} class with virtual/
class Animal_V {public:virtual void eat() {std::cout << "I'm eating generic food." << std::endl;}virtual void shout() {std::cout << "I'm shouting genericly." << std::endl;}virtual ~Animal_V() = default;
};class Cat_V : public Animal_V {public:void eat() override {std::cout << "I'm eating a rat." << std::endl;}void shout() override {std::cout << "I'm shouting with meow" << std::endl;}~Cat_V() override = default;
};void distinguish(Animal_V* obj) {obj->eat();obj->shout();
}int main(int argc, char* argv[]) {auto *animal = new Animal;auto *cat = new Cat;std::cout << "------------------Normal use------------------" << std::endl;animal->eat();animal->shout();cat->eat();cat->shout();std::cout << "------------------Use same interface without vitual------------------" << std::endl;distinguish(animal);distinguish(cat);std::cout << "==================Divider==================" << std::endl;auto *animal_V = new Animal_V;auto *cat_V = new Cat_V;std::cout << "------------------Normal use------------------" << std::endl;animal_V->eat();animal_V->shout();cat_V->eat();cat_V->shout();std::cout << "------------------Use same interface with vitual------------------" << std::endl;distinguish(animal_V);distinguish(cat_V);//由于sizeof(your class)会涉及到内存对齐，所以得到的字节数可能不是你想的数字，比如int a,b;和int a;可能都是占8个字节。std::cout << "------------------Compare sizeof------------------" << std::endl;std::cout << "Animal'size is: " << sizeof(Animal) << std::endl;std::cout << "Cat'size is: " << sizeof(Cat) << std::endl;std::cout << "Animal_V'size is: " << sizeof(Animal_V) << std::endl;std::cout << "Cat_V'size is: " << sizeof(Cat_V) << std::endl;std::cout << "------------------The address of virtual function------------------" << std::endl;std::cout << "Animal_V::eat -> " << (void*)(&Animal_V::eat) << std::endl;std::cout << "Animal_V::shout -> " << (void*)(&Animal_V::shout) << std::endl;std::cout << "Cat_V::eat -> " << (void*)(&Cat_V::eat) << std::endl;std::cout << "Cat_V::shout -> " << (void*)(&Cat_V::shout) << std::endl;std::cout << "------------------The address of vptr&vtbl------------------" << std::endl;Animal_V obj;std::cout << "VPTR's address:" << (long*) (&obj+0) << std::endl; //由于我的电脑是64位系统，指针为8个地址，所以使用long类型的指针获取虚指针以及下面的虚表std::cout << "VTBL's address:" << (long*) (*(long*)(&obj+0)) << std::endl;std::cout << "The entry address of the first virtual function: " << (void*) (*((long*)*(long*)(&obj+0)+0)) << std::endl;std::cout << "The entry address of the second virtual function: " << (void*) (*((long*)*(long*)(&obj+0)+1)) << std::endl;// long* vptr_addr = (long*) &obj;// long* vtbl_addr = (long*) *vptr_addr;// std::cout << "The entry address of the first virtual function: " << (long*) *(vtbl_addr + 0) << std::endl;// std::cout << "The entry address of the second virtual function: " << (long*) *(vtbl_addr + 1) << std::endl;std::cout << "------------------Invoke virtual function by pFun------------------" << std::endl;typedef void(*pFun)(void);pFun Fun = nullptr;Fun = reinterpret_cast<pFun>(*((long*)*(long*)(&obj + 0) + 0));Fun();Fun = reinterpret_cast<pFun>(*((long*)*(long*)(&obj + 0) + 1));Fun();delete animal;delete cat;delete animal_V;delete cat_V;return 0;
}

程序的输出结果为：

------------------Normal use------------------
I'm eating generic food.
I'm shouting genericly.
I'm eating a rat.
I'm shouting with meow
------------------Use same interface without vitual------------------
I'm eating generic food.
I'm shouting genericly.
I'm eating generic food.
I'm shouting genericly.
==================Divider==================
------------------Normal use------------------
I'm eating generic food.
I'm shouting genericly.
I'm eating a rat.
I'm shouting with meow
------------------Use same interface with vitual------------------
I'm eating generic food.
I'm shouting genericly.
I'm eating a rat.
I'm shouting with meow
------------------Compare sizeof------------------
Animal'size is: 1
Cat'size is: 1
Animal_V'size is: 8
Cat_V'size is: 8
------------------The address of virtual function------------------
Animal_V::eat -> 0x4018c6
Animal_V::shout -> 0x4018f2
Cat_V::eat -> 0x40191e
Cat_V::shout -> 0x40194a
------------------The address of vptr&vtbl------------------
VPTR's address:0x7ffcbb9e5bc8
VTBL's address:0x401e40
The entry address of the first virtual function: 0x4018c6
The entry address of the second virtual function: 0x4018f2
------------------Invoke virtual function by pFun------------------
I'm eating generic food.
I'm shouting genericly.

可以看出使用virtual后即使使用的是同一个接口，会根据对象的不同自动变换，对于各自的接口会在虚表中找到函数的入口地址，这种多态的方式叫“动态绑定”。
注意：多态的实现是通过指针和引用；而对象的转换只会造成对象切割，不能实现多态。

4.参考资料

Why do we need virtual functions in C++?
[面试经]VPTR和VTBL
c++对象切割(Object Slicing)
C++ 之多态
虚指针、虚表及内存布局（不错）

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1. 摘要

2.虚指针vptr和虚表vtbl

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4.参考资料

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