C++对象的内存布局1---基础篇----C++ 虚函数表解析
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- 前言
- 虛函數(shù)表
- 一般繼承（無虛函數(shù)覆蓋）
- 一般繼承（有虛函數(shù)覆蓋）
- 多重繼承（無虛函數(shù)覆蓋）
- 多重繼承（有虛函數(shù)覆蓋）
- 安全性
- 結(jié)束語
- 附錄一：VC中查看虛函數(shù)表
- 附錄 二：例程
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前言
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C++中的虛函數(shù)的作用主要是實(shí)現(xiàn)了多態(tài)的機(jī)制。關(guān)于多態(tài)，簡而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實(shí)例，然后通過父類的指針調(diào)用實(shí)際子類的成員函數(shù)。這種技術(shù)可以讓父類的指針有“多種形態(tài)”，這是一種泛型技術(shù)。所謂泛型技術(shù)，說白了就是試圖使用不變的代碼來實(shí)現(xiàn)可變的算法。比如：模板技術(shù)，RTTI技術(shù)，虛函數(shù)技術(shù)，要么是試圖做到在編譯時(shí)決議，要么試圖做到運(yùn)行時(shí)決議。
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關(guān)于虛函數(shù)的使用方法，我在這里不做過多的闡述。大家可以看看相關(guān)的C++的書籍。在這篇文章中，我只想從虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制上面為大家?一個(gè)清晰的剖析。
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當(dāng)然，相同的文章在網(wǎng)上也出現(xiàn)過一些了，但我總感覺這些文章不是很容易閱讀，大段大段的代碼，沒有圖片，沒有詳細(xì)的說明，沒有比較，沒有舉一反三。不利于學(xué)習(xí)和閱讀，所以這是我想寫下這篇文章的原因。也希望大家多給我提意見。
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言歸正傳，讓我們一起進(jìn)入虛函數(shù)的世界。
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虛函數(shù)表
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對C++?了解的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)（Virtual Function）是通過一張?zhí)摵瘮?shù)表（Virtual Table）來實(shí)現(xiàn)的。簡稱為V-Table。在這個(gè)表中，主是要一個(gè)類的虛函數(shù)的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問題，保證其容真實(shí)反應(yīng)實(shí)際的函數(shù)。這樣，在有虛函數(shù)的類的實(shí)例中這個(gè)表被分配在了這個(gè)實(shí)例的內(nèi)存中，所以，當(dāng)我們用父類的指針來操作一個(gè)子類的時(shí)候，這張?zhí)摵瘮?shù)表就顯得由為重要了，它就像一個(gè)地圖一樣，指明了實(shí)際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。
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這里我們著重看一下這張?zhí)摵瘮?shù)表。C++的編譯器應(yīng)該是保證虛函數(shù)表的指針存在于對象實(shí)例中最前面的位置（這是為了保證取到虛函數(shù)表的有最高的性能——如果有多層繼承或是多重繼承的情況下）。?這意味著我們通過對象實(shí)例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表，然后就可以遍歷其中函數(shù)指針，并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。
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聽我扯了那么多，我可以感覺出來你現(xiàn)在可能比以前更加暈頭轉(zhuǎn)向了。?沒關(guān)系，下面就是實(shí)際的例子，相信聰明的你一看就明白了。
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假設(shè)我們有這樣的一個(gè)類：
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class?Base {
?????public:
????????????virtual?void?f() { cout <<?"Base::f"?<< endl; }
????????????virtual?void?g() { cout <<?"Base::g"?<< endl; }
????????????virtual?void?h() { cout <<?"Base::h"?<< endl; }
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};
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按照上面的說法，我們可以通過Base的實(shí)例來得到虛函數(shù)表。?下面是實(shí)際例程：
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??????????typedef?void(*Fun)(void);
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????????????Base b;
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????????????Fun pFun = NULL;
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????????????cout <<?"虛函數(shù)表地址："?<< (int*)(&b) << endl;
????????????cout <<?"虛函數(shù)表?—?第一個(gè)函數(shù)地址："?<< (int*)*(int*)(&b) << endl;
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????????????// Invoke the first virtual function?
????????????pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
????????????pFun();
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實(shí)際運(yùn)行經(jīng)果如下：(Windows XP+VS2003,??Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)
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虛函數(shù)表地址：0012FED4
虛函數(shù)表?—?第一個(gè)函數(shù)地址：0044F148
Base::f
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通過這個(gè)示例，我們可以看到，我們可以通過強(qiáng)行把&b轉(zhuǎn)成int *，取得虛函數(shù)表的地址，然后，再次取址就可以得到第一個(gè)虛函數(shù)的地址了，也就是Base::f()，這在上面的程序中得到了驗(yàn)證（把int*強(qiáng)制轉(zhuǎn)成了函數(shù)指針）。通過這個(gè)示例，我們就可以知道如果要調(diào)用Base::g()和Base::h()，其代碼如下：
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????????????(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0);??// Base::f()
????????????(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1);??// Base::g()
????????????(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2);??// Base::h()
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這個(gè)時(shí)候你應(yīng)該懂了吧。什么？還是有點(diǎn)暈。也是，這樣的代碼看著太亂了。沒問題，讓我畫個(gè)圖解釋一下。如下所示：
注意：在上面這個(gè)圖中，我在虛函數(shù)表的最后多加了一個(gè)結(jié)點(diǎn)，這是虛函數(shù)表的結(jié)束結(jié)點(diǎn)，就像字符串的結(jié)束符“/0”一樣，其標(biāo)志了虛函數(shù)表的結(jié)束。這個(gè)結(jié)束標(biāo)志的值在不同的編譯器下是不同的。在WinXP+VS2003下，這個(gè)值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，這個(gè)值是如果1，表示還有下一個(gè)虛函數(shù)表，如果值是0，表示是最后一個(gè)虛函數(shù)表。
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下面，我將分別說明“無覆蓋”和“有覆蓋”時(shí)的虛函數(shù)表的樣子。沒有覆蓋父類的虛函數(shù)是毫無意義的。我之所以要講述沒有覆蓋的情況，主要目的是為了給一個(gè)對比。在比較之下，我們可以更加清楚地知道其內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)。
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一般繼承（無虛函數(shù)覆蓋）
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下面，再讓我們來看看繼承時(shí)的虛函數(shù)表是什么樣的。假設(shè)有如下所示的一個(gè)繼承關(guān)系：
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請注意，在這個(gè)繼承關(guān)系中，子類沒有重載任何父類的函數(shù)。那么，在派生類的實(shí)例中，其虛函數(shù)表如下所示：
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對于實(shí)例：Derive d;?的虛函數(shù)表如下：
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我們可以看到下面幾點(diǎn)：
1）虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。
2）父類的虛函數(shù)在子類的虛函數(shù)前面。
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我相信聰明的你一定可以參考前面的那個(gè)程序，來編寫一段程序來驗(yàn)證。
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一般繼承（有虛函數(shù)覆蓋）
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覆蓋父類的虛函數(shù)是很顯然的事情，不然，虛函數(shù)就變得毫無意義。下面，我們來看一下，如果子類中有虛函數(shù)重載了父類的虛函數(shù)，會是一個(gè)什么樣子？假設(shè)，我們有下面這樣的一個(gè)繼承關(guān)系。
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為了讓大家看到被繼承過后的效果，在這個(gè)類的設(shè)計(jì)中，我只覆蓋了父類的一個(gè)函數(shù)：f()。那么，對于派生類的實(shí)例，其虛函數(shù)表會是下面的一個(gè)樣子：
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我們從表中可以看到下面幾點(diǎn)，
1）覆蓋的f()函數(shù)被放到了虛表中原來父類虛函數(shù)的位置。
2）沒有被覆蓋的函數(shù)依舊。
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這樣，我們就可以看到對于下面這樣的程序，
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????????????Base *b =?new?Derive();
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????????????b->f();
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由b所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的f()的位置已經(jīng)被Derive::f()函數(shù)地址所取代，于是在實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)，是Derive::f()被調(diào)用了。這就實(shí)現(xiàn)了多態(tài)。
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多重繼承（無虛函數(shù)覆蓋）
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下面，再讓我們來看看多重繼承中的情況，假設(shè)有下面這樣一個(gè)類的繼承關(guān)系。注意：子類并沒有覆蓋父類的函數(shù)。
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對于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表，是下面這個(gè)樣子：
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我們可以看到：
1）??每個(gè)父類都有自己的虛表。
2）??子類的成員函數(shù)被放到了第一個(gè)父類的表中。（所謂的第一個(gè)父類是按照聲明順序來判斷的）
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這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個(gè)子類實(shí)例，而能夠調(diào)用到實(shí)際的函數(shù)。
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多重繼承（有虛函數(shù)覆蓋）
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下面我們再來看看，如果發(fā)生虛函數(shù)覆蓋的情況。
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下圖中，我們在子類中覆蓋了父類的f()函數(shù)。
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下面是對于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表的圖：
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我們可以看見，三個(gè)父類虛函數(shù)表中的f()的位置被替換成了子類的函數(shù)指針。這樣，我們就可以任一靜態(tài)類型的父類來指向子類，并調(diào)用子類的f()了。如：
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????????????Derive d;
????????????Base1 *b1 = &d;
????????????Base2 *b2 = &d;
????????????Base3 *b3 = &d;
????????????b1->f();?//Derive::f()
????????????b2->f();?//Derive::f()
????????????b3->f();?//Derive::f()
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????????????b1->g();?//Base1::g()
????????????b2->g();?//Base2::g()
????????????b3->g();?//Base3::g()
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安全性
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每次寫C++的文章，總免不了要批判一下C++。這篇文章也不例外。通過上面的講述，相信我們對虛函數(shù)表有一個(gè)比較細(xì)致的了解了。水可載舟，亦可覆舟。下面，讓我們來看看我們可以用虛函數(shù)表來干點(diǎn)什么壞事吧。
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一、通過父類型的指針訪問子類自己的虛函數(shù)
我們知道，子類沒有重載父類的虛函數(shù)是一件毫無意義的事情。因?yàn)槎鄳B(tài)也是要基于函數(shù)重載的。雖然在上面的圖中我們可以看到Base1的虛表中有Derive的虛函數(shù)，但我們根本不可能使用下面的語句來調(diào)用子類的自有虛函數(shù)：
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??????????Base1 *b1 =?new?Derive();
????????????b1->f1();??//編譯出錯
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任何妄圖使用父類指針想調(diào)用子類中的未覆蓋父類的成員函數(shù)的行為都會被編譯器視為非法，所以，這樣的程序根本無法編譯通過。但在運(yùn)行時(shí)，我們可以通過指針的方式訪問虛函數(shù)表來達(dá)到違反C++語義的行為。（關(guān)于這方面的嘗試，通過閱讀后面附錄的代碼，相信你可以做到這一點(diǎn)）
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二、訪問non-public的虛函數(shù)
另外，如果父類的虛函數(shù)是private或是protected的，但這些非public的虛函數(shù)同樣會存在于虛函數(shù)表中，所以，我們同樣可以使用訪問虛函數(shù)表的方式來訪問這些non-public的虛函數(shù)，這是很容易做到的。
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如：
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class?Base {
????private:
????????????virtual?void?f() { cout <<?"Base::f"?<< endl; }
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};
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class?Derive :?public?Base{
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};
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typedef?void(*Fun)(void);
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void?main() {
????Derive d;
????Fun??pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d)+0);
????pFun();
}
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結(jié)束語
C++這門語言是一門Magic的語言，對于程序員來說，我們似乎永遠(yuǎn)摸不清楚這門語言背著我們在干了什么。需要熟悉這門語言，我們就必需要了解C++里面的那些東西，需要去了解C++中那些危險(xiǎn)的東西。不然，這是一種搬起石頭砸自己腳的編程語言。
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在文章束之前還是介紹一下自己吧。我從事軟件研發(fā)有十個(gè)年頭了，目前是軟件開發(fā)技術(shù)主管，技術(shù)方面，主攻Unix/C/C++，比較喜歡網(wǎng)絡(luò)上的技術(shù)，比如分布式計(jì)算，網(wǎng)格計(jì)算，P2P，Ajax等一切和互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的東西。管理方面比較擅長于團(tuán)隊(duì)建設(shè)，技術(shù)趨勢分析，項(xiàng)目管理。歡迎大家和我交流，我的MSN和Email是：haoel@hotmail.com?
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附錄一：VC中查看虛函數(shù)表
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我們可以在VC的IDE環(huán)境中的Debug狀態(tài)下展開類的實(shí)例就可以看到虛函數(shù)表了（并不是很完整的）
附錄?二：例程
下面是一個(gè)關(guān)于多重繼承的虛函數(shù)表訪問的例程：
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#include?<iostream>
using?namespace?std;
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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; }
};
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class?Base3 {
public:
????????????virtual?void?f() { cout <<?"Base3::f"?<< endl; }
????????????virtual?void?g() { cout <<?"Base3::g"?<< endl; }
????????????virtual?void?h() { cout <<?"Base3::h"?<< endl; }
};
?
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class?Derive :?public?Base1,?public?Base2,?public?Base3 {
public:
????????????virtual?void?f() { cout <<?"Derive::f"?<< endl; }
????????????virtual?void?g1() { cout <<?"Derive::g1"?<< endl; }
};
?
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typedef?void(*Fun)(void);
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int?main()
{
????????????Fun pFun = NULL;
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????????????Derive d;
????????????int** pVtab = (int**)&d;
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????????????//Base1's vtable
????????????//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+0);
????????????pFun = (Fun)pVtab[0][0];
????????????pFun();
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????????????//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+1);
????????????pFun = (Fun)pVtab[0][1];
????????????pFun();
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????????????//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+2);
????????????pFun = (Fun)pVtab[0][2];
????????????pFun();
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????????????//Derive's vtable
????????????//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+3);
????????????pFun = (Fun)pVtab[0][3];
????????????pFun();
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????????????//The tail of the vtable
????????????pFun = (Fun)pVtab[0][4];
????????????cout<<pFun<<endl;
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????????????//Base2's vtable
????????????//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);
????????????pFun = (Fun)pVtab[1][0];
????????????pFun();
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????????????//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);
????????????pFun = (Fun)pVtab[1][1];
????????????pFun();
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????????????pFun = (Fun)pVtab[1][2];
????????????pFun();
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????????????//The tail of the vtable
????????????pFun = (Fun)pVtab[1][3];
????????????cout<<pFun<<endl;
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????????????//Base3's vtable
????????????//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);
????????????pFun = (Fun)pVtab[2][0];
????????????pFun();
?
????????????//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);
????????????pFun = (Fun)pVtab[2][1];
????????????pFun();
?
????????????pFun = (Fun)pVtab[2][2];
????????????pFun();
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????????????//The tail of the vtable
????????????pFun = (Fun)pVtab[2][3];
????????????cout<<pFun<<endl;
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????????????return?0;
}
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原帖：http://blog.csdn.net/haoel/article/details/1948051?作者：陳皓 ??(轉(zhuǎn)載時(shí)請注明作者和出處。未經(jīng)許可，請勿用于商業(yè)用途)
轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/catkins/archive/2012/11/02/5270717.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的C++对象的内存布局1---基础篇----C++ 虚函数表解析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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