C++虚表和虚基表
文章目录
- C++虚表和虚基表
- 1.虚表/虚函数表(vtable)
- 1.1概念
- 1.2工作机制
- 1.3虚表的特性
- 2.虚基表（vbtable）
- 2.1概念
- 2.2工作机制
- 2.3虚基表的特性
- 3.深入认识虚基表
- 3.1菱形继承对象模型
- 3.2菱形虚拟继承对象模型
- 4.深入认识虚表
- 4.1含有虚函数的类对象模型
- 4.2单继承中的虚表
- 4.3多继承中的虚表
- 4.4菱形继承中的虚表
- 5.菱形虚拟继承中的虚表虚基表对象模型
1.虚表/虚函数表(vtable)
1.1概念
- 虚表 是一种内部数据结构，用于支持多态。
- 当一个类包含虚函数时，编译器会为该类生成一个虚表，以存储指向虚函数的指针。
- 每个含有虚函数的类都有一个虚表，虚表用于记录类的虚函数地址，方便在运行时通过基类指针或引用调用派生类的实现。
1.2工作机制
- 每个含有虚函数的类对象中都会有一个指向虚表的指针，称为 虚表指针（vptr）。
- 当通过基类指针调用虚函数时，编译器根据对象中的
vptr找到相应的虚表，并从虚表中获得该虚函数的实际地址，保证调用正确的派生类函数。 - 虚表在编译期生成，而
vptr在对象创建时被初始化。
示例：
class Base {
public:virtual void show() { std::cout << "Base show" << std::endl; }
};class Derived : public Base {
public:void show() override { std::cout << "Derived show" << std::endl; }
};
在这个例子中，Base 和 Derived 各自都有一个虚表，用于存储 show 函数的地址。当通过 Base* 指针调用 show 时，会通过虚表找到 Derived 中的 show 函数，实现多态。
1.3虚表的特性
- 虚表是由编译器自动创建和维护的，开发者无法直接访问。
- 对象的内存中通常包含一个指向虚表的指针（vptr）。
- 虚表只在包含虚函数的类中存在。
2.虚基表（vbtable）
2.1概念
- 虚基表 是编译器为了解决多重继承中的虚基类问题而引入的数据结构。
- 它的目的是确保在多重继承中共享虚基类的唯一实例，从而避免重复继承带来的存储空间浪费和不一致的问题。
2.2工作机制
- 当类通过多重继承包含同一个基类时，为了确保基类在派生类中只存在一个实例，可以将基类声明为虚基类。
- 编译器会为包含虚基类的类生成一个虚基表，其中记录了虚基类实例的偏移量。
- 虚基表（vbtable）通过这些偏移量来指示派生类如何访问唯一的虚基类实例。
示例：
class A {
public:int value;
};class B : virtual public A {
};class C : virtual public A {
};class D : public B, public C {
};
在这个例子中，B 和 C 都通过虚基类继承 A。因此 D 类中只会有一个 A 的实例。编译器会生成虚基表来记录 A 的地址偏移，以便 B 和 C 都能正确访问 A 的成员。
2.3虚基表的特性
- 只有在虚基类（
virtual基类）存在时才会生成虚基表。 - 虚基表中存储了虚基类实例的偏移量。
- 虚基表用于解决多重继承下的虚基类共享问题。
3.深入认识虚基表
研究环境：vs2022 32位平台
3.1菱形继承对象模型
class A {
public:int _a;
};class B : public A {
public:int _b;
};class C : public A {
public:int _c;
};class D : public B, public C {
public:int _d;
};
上面是没有使用虚继承的菱形继承，导致D的对象成员里有两份A，导致了数据冗余和二义性。
图示：
3.2菱形虚拟继承对象模型
使用虚继承：
class A {
public:int _a;
};class B : public A {
public:int _b;
};class C : public A {
public:int _c;
};class D : public B, public C {
public:int _d;
};
图示：
4.深入认识虚表
4.1含有虚函数的类对象模型
class A
{
public:virtual void func1() { cout << "A::func1" << endl; }int _a;
};
图示：
4.2单继承中的虚表
class Base {
public:virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:int a;
};
class Derive :public Base {
public:virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }virtual void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
private:int b;
};
如何观察到类对象的虚表呢？我们设计函数来实现。
//定义函数指针类型，方便声明
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i){printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);VFPTR f = vTable[i];f();}cout << endl;
}
int main()
{Base b;Derive d;// 思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数// 指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr// 1.先取b的地址，强转成一个int*的指针// 2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针// 3.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。// 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表// 5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最// 后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的 - 生成 - 清理解决方案，再// 编译就好了。VFPTR * vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);PrintVTable(vTableb);VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);PrintVTable(vTabled);return 0;
}
运行代码，我们得到
虚表地址>00029B34第0个虚函数地址 :0X212b7,->Base::func1第1个虚函数地址 :0X21113,->Base::func2虚表地址>00029B64第0个虚函数地址 :0X21244,->Derive::func1第1个虚函数地址 :0X21113,->Base::func2第2个虚函数地址 :0X21230,->Derive::func3第3个虚函数地址 :0X2116d,->Derive::func4
发现：
- 如果一个类通过单继承继承了一个基类，并且重写了基类的虚函数，那么派生类的虚表通常会直接覆盖基类的虚表。
- 这种情况下，派生类会沿用基类的虚表布局，只是将重写的虚函数地址替换到对应的位置。
- 因此，单继承的虚表是继承和延续的，不需要重新创建。
4.3多继承中的虚表
class Base1 {
public:virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:int b1;
};
class Base2 {
public:virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:int d1;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i){printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);VFPTR f = vTable[i];f();}cout << endl;
}
发现：
- 在多继承的情况下，派生类会从多个基类继承虚表。这种情况下，派生类的对象布局中会包含多个虚表指针（vfptr），每个指针对应一个基类的虚表。
- 如果派生类重写了基类的虚函数或者定义了新的虚函数，则会为派生类创建一个新的虚表。这个新虚表不仅包含派生类自己的虚函数，还包含各个基类的虚函数（按照每个基类独立的虚表）。
- 换句话说，多继承的派生类会拥有多个虚表，每个虚表分别管理来自不同基类的虚函数，以确保不同路径的虚函数调用可以正确绑定到对应的实现。
4.4菱形继承中的虚表
//在原先代码的基础上加入了Base0，让Base1和Base2对Base0进行public继承
class Base0
{
public:virtual void func1() = 0;
};
class Base1 : public Base0
{
public:virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:int b1;
};
class Base2 : public Base0
{
public:virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:int d1;
};
- Base0对Base1，Base2是单继承，Base1和Base2将沿用Base0的虚表。
- Base1和Base2对Derive是多继承，Derive将会创建新的虚表
5.菱形虚拟继承中的虚表虚基表对象模型
class Base0
{
public:virtual void func1() = 0;
private:int b0 = 0;
};
class Base1 : public Base0
{
public:virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:int b1 = 1;
};
class Base2 : public Base0
{
public:virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:int b2 = 2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:int d1 = 3;
};
图示：
发现：
- Base1和Base2本应该继承Base0的虚表，但是虚拟继承后，Base1和Base2创建自己的虚表。
- 虚基表存的是偏移量
