揭開C++類中虛表的“神秘面紗”

　　C++類中的虛表結構是C++對象模型中一個重要的知識點，這裡咱們就來深入分析下虛表的在記憶體中的結構。

　　C++一個類中有虛函數的話就會有一個虛表指針，其指向對應的虛表，一般一個類只會有一個虛表，每個虛表有多個”插槽”，每個插槽存放一個虛函數的地址。插槽中的內容可以被覆蓋，子類如果重寫了父類中的虛函數，則插槽中對應位置的數據被覆蓋。虛表存放的是虛函數地址，不管該虛函數是public還是private的。光文字說明不太形象，下麵上一張虛表結構的示例圖：

　　從圖中看出，虛表指針確實是指向虛表結構的，這個虛表結構中有許多插槽，每個插槽都會指向一個虛函數。那麼如何用程式來測試呢，請接著看：

 1 #include <iostream>
 2 #include <cstdio>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class Base {
 7 public:
 8     virtual void test() {
 9         cout << "Base.text()" << endl;
10     }
11 
12 public:
13     int a;
14 };
15 
16 class Derived : public Base {
17 public:
18     virtual void test() {
19         cout << "Derived.test()" << endl;
20     }
21 
22 public:
23     int b;
24 };
25 
26 typedef void (*PFunc)();
27 
28 int main() {
29     Derived derived;
30     PFunc   ptest;   // 函數指針
31 
32     // 輸出derived及其成員a/b的地址
33     printf("derived:   %p\n", &derived);
34     printf("derived.a: %p\n", &(derived.a));
35     printf("derived.b: %p\n", &(derived.b));
36 
37     // 提取出test虛函數地址
38     int *p = (int *)*(int *)(&derived);
39     ptest = (PFunc)*p;
40     ptest();
41 
42     return 0;
43 }

輸出結果：

　　註意，程式是在Centos 7 64位系統下進行測試的。程式中直接提取出test虛函數地址，然後進行調用，發現調用的確實是Derived.test函數，這也說明瞭虛表結構的記憶體佈局。

關於虛表幾個有意思的問題

虛表指針什麼時候賦值的？

 1 #include <iostream>
 2 
 3 using namespace std;
 4 
 5 class Base
 6 {
 7 public:
 8     Base() {
 9         cout << "Base()" << endl;
10         show();
11         int *p = &b;
12         cout << "Base::b: " << p << endl;
13         p = (int *)((char *)p - 8);
14         cout << "Base::vptr: " << *p << endl;
15         // Base中虛函數地址
16         cout << "*Base::vptr: " << *(int *)*p << endl;
17         cout << endl;
18     }
19 
20     virtual void show() {
21         cout << "Base::show()" << endl;
22     }
23 public:
24     int b;
25 };
26 class Derived : public Base
27 {
28 public:
29     Derived()
30     {
31         cout << "Derived()" << endl;
32         show();
33         int *p = &b;
34         cout << "Derived::b: " << p << endl;
35         p = (int *)((char *)p - 8);
36         cout << "Derived::vptr: " << *p << endl;
37         // Derived中虛函數地址
38         cout << "*Derived::vptr: " << *(int *)*p << endl;
39         cout << endl;
40     }
41     virtual void show() {
42         cout << "Derived::show()" << endl;
43     }
44 private:
45     int d;
46 };
47 
48 int main(int argc, char **argv)
49 {
50     Base base;
51     Derived derived;
52 
53     return 0;
54 }

輸出結果為：

從輸出結果中可以得出，子類在構造過程中虛表指針會被賦值2次。初始化如下：

　　基類靜態成員 – 子類靜態成員 – (設置v_ptr/基類成員變數 ) –基類構造函數 – (設置v_ptr/子類成員變數) – 子類構造函數

在類的析構函數中是否對虛表指針進行賦值操作呢？

　　在子類的析構函數中，會把虛表指針設置為指向父類中的虛函數地址，這樣在父類的析構函數中調用虛函數實際上調用的是父類的虛函數，不過一般不這樣做。如何進行測試呢，按照上個問題的測試代碼，然後稍微改動一下就可以測試了。

參考：

　　1、深入理解C++對象模型

　　2、《深度探索C++對象模型》