前言

總所周知，虛函數是實現多態的基礎。

• 引用或指針的靜態類型與對象本身的動態類型的不同，才是C++支持多態的根本所在。
• 當使用基類的引用或指針調用一個虛函數成員時，會執行動態綁定。
• 所有的虛函數都必須有定義，因為編譯器直到運行前也不知道到底要調用哪個版本的虛函數。
• 只有通過指針或引用調用虛函數才會發生動態綁定，因為只有這種情況，引用或指針的靜態類型與對象本身的動態類型才會不同。

關于另一篇博客

大家在網上搜索關于虛函數的博客應該都會搜到陳皓寫的那篇C++ 虛函數表解析吧，這篇文章確實不錯，畫的圖也比較好理解，對于指針理解比較深刻的人應該不會理解錯誤，但對于新人來說可能還是有點不友好。以下幾點我覺得需要強調：

• 虛函數表的指針，實質是指針的指針。
• 虛函數表的內容，實質是一個指針的數組。（同時輔證了上一點）
• 在圖例中，所以就會兩次指針指向的過程。

還有一點就是在該大神的例子程序的輸出中，給出的中文解釋我認為是錯誤的，看起來是很容易誤導人的。 最開始的例子程序中的：
cout << "虛函數表地址：" << (int*)(&b) << endl;
cout << "虛函數表 — 第一個函數地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
這兩句明顯錯誤，本人在困惑之余便開始了自己的驗證。
而且圖例中也應該有兩次指針指向的過程。

虛函數表(vfptr)

虛函數表的指針存儲在對象實例中最前面的位置。
這意味著我們可以通過對象實例的地址得到這個虛函數表的指針，然后就遍歷虛函數表中的各個函數指針，然后調用相應的函數。
下面開始各個例子程序的實驗！（win10+vs2017）

只有基類

#include "pch.h" #include <iostream> using namespace std; class Base {public:virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }}; int main() {typedef void(*Fun)(void);Base b;Fun pFun = NULL;Base * p = &b;cout << "該對象的地址：" << p << endl;cout << "虛函數表的指針也是從這個地址"<< (int*)(&b) <<"開始存的" << endl << endl;cout << "虛函數表的指針指向的地址10進制：" << *(int*)(&b) << "即虛函數表的指針存的內容"<<endl;cout << "即虛函數表的地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl << endl;pFun = (Fun)*(int*)*(int*)(&b);//第一個虛函數的指針cout << "第一個虛函數的地址：" << pFun << endl;pFun();Fun gFun = NULL;gFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b) + 1);//第二個虛函數的指針Fun hFun = NULL;hFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b) + 2);//第三個虛函數的指針 }

理解內存里每個字節是有編號，這個編號便是我們說的地址。

指針存的是一個地址，我們只關心指針指向的地址（指針存的地址）和指向對象的類型，而不關心指針這個對象本身的地址。

對指針解引用，實際是從指針指向的地址的那個字節開始，按照指向對象的類型的字節大小n，讀取n個字節出來，來組成這個類型的對象。

打印指針時，會打印出來指針指向的地址，以16進制。

b返回Base類型的對象。

&b返回Base *類型的指針。

(int *)(&b)將Base *類型的指針轉換為int *類型的指針，轉換后指針指向地址沒變，但指向對象的類型變了。

*(int *)(&b)對int *類型的指針解引用，從地址開始的那個字節開始，取出sizeof(int)個字節，賦值給一個int對象（因為指針認為自己指向一個int對象）。

(int *)*(int *)(&b)相當于 (int *)后接一個int值，返回一個int指針，將這個int值作為該指針指向的地址值。

*(int *)*(int *)(&b)對int *類型的指針解引用，返回int值。

(Fun)*(int *)*(int *)(&b)，Fun是函數指針，后接一個int值，將這個int值作為該函數指針指向的地址值。

如果以上過程你都正確理解，那么你就能理解這句gFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b) + 1);了。首先(int*)*(int*)(&b)將虛函數表的指針轉換為指向指針數組首元素的指針（即轉換過程中，指針指向地址沒變的），然后((int*)*(int*)(&b) + 1)這里就是數組的指針的正常操作，現在這個指針指向了數組的第二個元素（即第二個虛函數指針），最后就是解引用，然后轉換為Fun函數指針。

如果你還沒有理解某個步驟，建議直接查看以下圖例的大圖，配合debug顯示的局部變量表使用，再回頭看整個過程。


上圖解釋了虛函數的實現機制：

在有虛函數的基類對象中，肯定至少有三塊不同的內存存儲區域。

首先是對象內存空間，其開始區域，存了虛函數表的指針。

虛函數表實際是一個指針的數組，這些指針就是虛函數的函數指針。

最后是各個虛函數的存儲區域。

虛函數表的結束標志

在上面例子中還需要講一個細節，在虛函數表最后位置有一個字節用來標志虛函數表的結束。

char* end = NULL;end = (char*)((int*)*(int*)(&b) + 3);

加入如上代碼便可以得到結束標志，((int*)*(int*)(&b) + 3)這里指向了虛函數表即指針數組的第四個元素，但實際上數組里只有三個指針，所以這里便剛好指向了結束標志。再通過(char*)轉換指針類型，代表指向的是一個字節。

由于我是第二次運行程序，所以地址有點不一樣。這里end指針存的地址，按照之前的例子應該是0x00305b38再加12。
這里你最好再明確下char型存儲的含義：（即ASCII表中：是int型<---->char型的相互轉換關系）

char end1 = '\0';//字符串的結束符char end2 = 0;//字符串的結束符char zero1 = '0';//這才是真正的字符0char zero2 = 48;

單繼承（無虛函數覆蓋）

在此例中，基類有三個虛函數，派生類也有三個虛函數，但派生類一個虛函數也沒有去重寫。

#include "pch.h" #include <iostream> using namespace std; class Base { public:virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }}; class Derive : public Base { public:virtual void f1() { cout << "Derive::f" << endl; }virtual void g1() { cout << "Derive::g" << endl; }virtual void h1() { cout << "Derive::h" << endl; }}; int main() {typedef void(*Fun)(void);Derive d;Base *p = &d;Fun fFun = NULL;fFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d) + 0);//第一個虛函數的指針Fun gFun = NULL;gFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d) + 1);//第二個虛函數的指針Fun hFun = NULL;hFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d) + 2);//第三個虛函數的指針Fun f1 = NULL;f1 = (Fun)*((int*)*(int*)(&d) + 3);Fun g1 = NULL;g1 = (Fun)*((int*)*(int*)(&d) + 4);Fun h1 = NULL;h1 = (Fun)*((int*)*(int*)(&d) + 5);char* end = NULL;end = (char*)((int*)*(int*)(&d) + 6); }

雖然虛函數表里只能顯示父類的虛函數，但通過增加數組指針的方法，一樣可以獲得派生類的虛函數指針。就算這里是Derive *p1 = &d;也一樣，只顯示基類的三個虛函數。

• 虛函數指針按照聲明順序放在虛函數表里面。
• 基類的虛函數在派生類的虛函數前面。

虛函數表的內存模型如下：

但這里我已經厭倦了給每個虛函數生成一個函數指針，所以可以用以下循環：

int main() {typedef void(*Fun)(void);Derive d;int *vTable = (int *)*(int *)(&d);//虛函數表的指針for (int i = 0; i<6; ++i)//判斷條件寫成vTable[i] != 0，有可能會報異常{printf("function : %d :0X%x->", i, vTable[i]);Fun f = (Fun)(vTable[i]);f(); //訪問虛函數} }

vTable[i]相當于給vTable指針加i，再解引用。其實就是數組的用法啦，所以就少了解引用的一步。
打印出來的是各個虛函數的地址。

單繼承（有虛函數覆蓋）

在此例中，派生類只覆蓋了基類的一個函數：f()。

#include "pch.h" #include <iostream> using namespace std; class Base { public:virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }}; class Derive : public Base { public:virtual void f() { cout << "Derive::f" << endl; }virtual void g1() { cout << "Derive::g" << endl; }virtual void h1() { cout << "Derive::h" << endl; }}; int main() {typedef void(*Fun)(void);Derive d;int *vTable = (int *)*(int *)(&d);for (int i = 0; i<5; ++i){printf("function : %d :0X%x->", i, vTable[i]);Fun f = (Fun)(vTable[i]);f(); //訪問虛函數} }

可以看出：

• 由于f虛函數被重寫，原本虛函數表（即指針數組）第一個元素是Base::f()的指針，現在被替換為了Derive::f()的指針
• 其他虛函數按照之前的順序排列

虛函數表的內存模型如下：

多重繼承（無虛函數覆蓋）

在此例中，有三個基類，一個派生類，且派生類一個虛函數也沒有去重寫。

#include "pch.h" #include <iostream> using namespace std; class Base1 { public:virtual void f() { cout << "Base1::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base1::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base1::h" << endl; } }; class Base2 { public:virtual void f() { cout << "Base2::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base2::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base2::h" << endl; } }; class Base3 { public:virtual void f() { cout << "Base3::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base3::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base3::h" << endl; } }; class Derive : public Base1,public Base2, public Base3 { public:virtual void f1() { cout << "Derive::f" << endl; }virtual void g1() { cout << "Derive::g" << endl; }virtual void h1() { cout << "Derive::h" << endl; } }; typedef void(*Fun)(void); void printVfun(int n,int * vTable) {for (int i = 0; i < n; ++i){printf("function : %d :0X%x->", i, vTable[i]);Fun f = (Fun)(vTable[i]);f(); //訪問虛函數}cout << "" << endl; } int main() {Derive d;int *vTable1 = (int *)*(int *)(&d);//第一個虛函數表的指針printVfun(6, vTable1);int *vTable2 = (int *)*((int *)(&d)+1);//第二個虛函數表的指針printVfun(3, vTable2);int *vTable3 = (int *)*((int *)(&d) + 2);//第三個虛函數表的指針printVfun(3, vTable3); }

可以看到：

• 對于繼承到的每個基類，都有一個對應的虛函數表。
• 派生類的虛函數的指針，被放進了第一個基類對應的虛函數表里。（按照聲明順序來判斷的）

內存模型如下：

多重繼承（有虛函數覆蓋）

在此例中，有三個基類，一個派生類，且派生類重寫了三個基類的同一個虛函數。

#include "pch.h" #include <iostream> using namespace std; class Base1 { public:virtual void f() { cout << "Base1::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base1::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base1::h" << endl; } }; class Base2 { public:virtual void f() { cout << "Base2::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base2::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base2::h" << endl; } }; class Base3 { public:virtual void f() { cout << "Base3::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base3::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base3::h" << endl; } }; class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 { public:virtual void f() { cout << "Derive::f" << endl; }virtual void g1() { cout << "Derive::g" << endl; }virtual void h1() { cout << "Derive::h" << endl; } }; typedef void(*Fun)(void); void printVfun(int n, int * vTable) {for (int i = 0; i < n; ++i){printf("function : %d :0X%x->", i, vTable[i]);Fun f = (Fun)(vTable[i]);f(); //訪問虛函數}cout << "" << endl; } int main() {Derive d;int *vTable1 = (int *)*(int *)(&d);//第一個虛函數表的指針printVfun(5, vTable1);int *vTable2 = (int *)*((int *)(&d) + 1);//第二個虛函數表的指針printVfun(3, vTable2);int *vTable3 = (int *)*((int *)(&d) + 2);//第三個虛函數表的指針printVfun(3, vTable3); }

可以看到：

• 三個基類的虛函數表的第一項，都被替換為Derive::f的指針
• 這樣任意基類指針指向派生類對象，都可以調用到Derive::f

對象模型如下：

類與虛函數表與虛函數的對應關系

注意本章中的示意圖都只會關注基類的虛函數指針。或者因為重寫，而導致在虛函數表中基類的虛函數指針被替換的情況。（就像局部變量圖中的一樣）

單繼承（無虛函數覆蓋）

在該例中運行：

Base b1;Base b2;Derive d1;Derive d2;

• 每一個類對應到一個虛函數表。
• 兩個虛函數表里各個指針指向的地址都是相同的。

單繼承（有虛函數覆蓋）

Base b;Derive d;

• 基類的虛函數表的三項還是沒有變化
• 派生類的虛函數表的第一項被替換了

多重繼承（無虛函數覆蓋）

Base1 b1;Base2 b2;Base3 b3;Derive d;

• 派生類因為繼承了三個基類，所以會有三張虛函數表。

多重繼承（有虛函數覆蓋）

• 派生類的每個虛函數表的第一項都被替換為Derive::f()的指針了，因為它把三個基類的f虛函數都重寫了。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的C++ 虚函数详解（虚函数表、vfptr）——带虚函数表的内存分布图的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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