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前言

我們說的虛表其實有很多種叫法：

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

這些都是虛表的意思。虛表是一種利用程序語言實現(xiàn)的dynamic dispatch機制，或者說runtime method binding機制，也就是我們說的多態(tài)。

注：筆者在本文使用C++語言，并且統(tǒng)一用vTable來表示虛表。

虛函數(shù)

用virtual關(guān)鍵字修飾的函數(shù)就叫虛函數(shù)。

因為vTable(虛表)是C++利用runtime來實現(xiàn)多態(tài)的工具，所以我們需要借助virtual關(guān)鍵字將函數(shù)代碼地址存入vTable來躲開靜態(tài)編譯期。這里我們先不深入探究，后面我會細(xì)說。

首先我們先來看一個沒有虛函數(shù)，即沒有用到vTable的例子：

#include <iostream>
#include <ctime>
using std::cout;
using std::endl;

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

struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } };
struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "豬叫了" << endl; } };
struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驢叫了" << 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;
}

程序中有一個基類Animal，它有一個makeSound()函數(shù)。有三個繼承自Animal的子類，分別是牛、豬、驢，并且實現(xiàn)了自己的makeSound()方法。很簡單的代碼，是吧。

我們運行程序，你覺得輸出結(jié)果會是什么呢？不錯，這里會連續(xù)執(zhí)行4次Animal的makeSound()方法，結(jié)果如下：

為什么？因為我們的基類Animal的makeSound()方法沒有使用Virtual修飾，所以在靜態(tài)編譯時就makeSound()的實現(xiàn)就定死了。調(diào)用makeSound()方法時，編譯器發(fā)現(xiàn)這是Animal指針，就會直接jump到makeSound()的代碼段地址進行調(diào)用。

ok，那么我們把Animal的makeSound()改為虛函數(shù)，如下：

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

運行會是怎樣？如你所料，多態(tài)已經(jīng)成功實現(xiàn)：

接下來就是大家最關(guān)心的部分，這是怎么回事？編譯器到底做了什么？

虛表

為了說明方便，我們需要修改一下基類Animal的代碼，不改變其他子類，修改如下：

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

struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } };
struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "豬叫了" << endl; } };
struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驢叫了" << endl; } };

首先我們需要知道幾個關(guān)鍵點：

1. 函數(shù)只要有virtual，我們就需要把它添加進vTable。
2. 每個類(而不是類實例)都有自己的虛表，因此vTable就變成了vTables。
3. 虛表存放的位置一般存放在模塊的常量段中，從始至終都只有一份。詳情可在此參考

我們怎么理解？從本例來看，我們的Animal、Cow、Pig、Donkey類都有自己的虛表，并且虛表里都有兩個地址指針指向makeSound()和walk()的函數(shù)地址。一個指針4個字節(jié)，因此每個vTable的大小都是8個字節(jié)。如圖：

vtable

他們的虛表中記錄著不同函數(shù)的地址值?？梢钥吹紺ow、Pig、Donkey重寫了makeSound()函數(shù)但是沒有重寫walk()函數(shù)。因此在調(diào)用makeSound()時，就會直接jump到自己實現(xiàn)的code Address。而調(diào)用walk()時，則會jump到Animal父類walk的Code Address。

虛指針

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道虛表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了，那么我們在堆里實例化類對象時是怎么樣調(diào)用到相應(yīng)的函數(shù)的呢？這就要借助到虛指針了(vPointer)。

虛指針是類實例對象指向虛表的指針，存在于對象頭部,大小為4個字節(jié)，比如我們的Donkey類的實例化對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就如下：

我們修改main函數(shù)里的代碼，如下：

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

我們在堆中生成了兩個Donkey實例，運行結(jié)果如下：

驢叫了
驢叫了
Program ended with exit code: 0

沒問題。然后我們再來看看堆里的結(jié)構(gòu)，就變成了這樣：

donkey

還有什么是這張圖不能說明的呢？

Enjoy it :)

參考鏈接：

C++ vTable Preview
C++ vPointers and vTables
Virtual method table
虛函數(shù)表放在哪里
Done

作者: @biggergao
個人博客: Mr.碼了戈壁

2016年06月30日