C++虚表，你搞懂了吗？

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前言

我们说的虚表其实有很多种叫法：

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

这些都是虚表的意思。虚表是一种利用程序语言实现的dynamic dispatch机制，或者说runtime method binding机制，也就是我们说的多态。

注：笔者在本文使用C++语言，并且统一用vTable来表示虚表。

虚函数

用virtual关键字修饰的函数就叫虚函数。

因为vTable(虚表)是C++利用runtime来实现多态的工具，所以我们需要借助virtual关键字将函数代码地址存入vTable来躲开静态编译期。这里我们先不深入探究，后面我会细说。

首先我们先来看一个没有虚函数，即没有用到vTable的例子：

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

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

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

程序中有一个基类Animal，它有一个makeSound()函数。有三个继承自Animal的子类，分别是牛、猪、驴，并且实现了自己的makeSound()方法。很简单的代码，是吧。

我们运行程序，你觉得输出结果会是什么呢？不错，这里会连续执行4次Animal的makeSound()方法，结果如下：

为什么？因为我们的基类Animal的makeSound()方法没有使用Virtual修饰，所以在静态编译时就makeSound()的实现就定死了。调用makeSound()方法时，编译器发现这是Animal指针，就会直接jump到makeSound()的代码段地址进行调用。

ok，那么我们把Animal的makeSound()改为虚函数，如下：

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

运行会是怎样？如你所料，多态已经成功实现：

接下来就是大家最关心的部分，这是怎么回事？编译器到底做了什么？

虚表

为了说明方便，我们需要修改一下基类Animal的代码，不改变其他子类，修改如下：

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

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

首先我们需要知道几个关键点：

函数只要有virtual，我们就需要把它添加进vTable。
每个类(而不是类实例)都有自己的虚表，因此vTable就变成了vTables。
虚表存放的位置一般存放在模块的常量段中，从始至终都只有一份。详情可在此参考

我们怎么理解？从本例来看，我们的Animal、Cow、Pig、Donkey类都有自己的虚表，并且虚表里都有两个地址指针指向makeSound()和walk()的函数地址。一个指针4个字节，因此每个vTable的大小都是8个字节。如图：

vtable

他们的虚表中记录着不同函数的地址值。可以看到Cow、Pig、Donkey重写了makeSound()函数但是没有重写walk()函数。因此在调用makeSound()时，就会直接jump到自己实现的code Address。而调用walk()时，则会jump到Animal父类walk的Code Address。

虚指针

现在我们已经知道虚表的数据结构了，那么我们在堆里实例化类对象时是怎么样调用到相应的函数的呢？这就要借助到虚指针了(vPointer)。

虚指针是类实例对象指向虚表的指针，存在于对象头部,大小为4个字节，比如我们的Donkey类的实例化对象数据结构就如下：

我们修改main函数里的代码，如下：

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

我们在堆中生成了两个Donkey实例，运行结果如下：

驴叫了
驴叫了
Program ended with exit code: 0

没问题。然后我们再来看看堆里的结构，就变成了这样：

donkey

还有什么是这张图不能说明的呢？

Enjoy it :)

参考链接：

C++ vTable Preview
C++ vPointers and vTables
Virtual method table
虚函数表放在哪里
Done

作者: @biggergao
个人博客: Mr.码了戈壁

2016年06月30日

C++虚表，你搞懂了吗？

前言

虚函数

虚表

虚指针

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