引言
虛表是 C++ 中一個十分重要的概念烹困，面向?qū)ο缶幊痰亩鄳B(tài)性在 C++ 中的實(shí)現(xiàn)全靠虛表來實(shí)現(xiàn)晶渠。在聊虛表之前我們先回顧一下什么事多態(tài)性。
多態(tài)實(shí)際上就是讓一個父類指針曲伊，通過賦予子類對象的地址叽讳，可以呈現(xiàn)出多種形態(tài)和功能。如果這么說比較抽象的話坟募，我們看一個例子就明白了：
class Base {
int m_tag;
public:
Base(int tag) : m_tag(tag) {}
void print() {
cout << "Base::print() called" << endl;
}
virtual void vPrint() {
cout << "Base::vPrint() called" << endl;
}
virtual void printTag() {
cout << "Base::m_tag of this instance is: " << m_tag << endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
Derived(int tag) : Base(tag) {}
void print() {
cout << "Derived1::print() called" << endl;
}
virtual void vPrint() {
cout << "Derived::vPrint() called" << endl;
}
};
在上面的代碼中岛蚤，我們聲明了一個父類 Base，和它的一個派生類 Derived懈糯，其中 print() 實(shí)例方法是非虛函數(shù)涤妒，而其余兩個實(shí)例方法被聲明為了虛函數(shù)。并且在子類中我們重新了 print() 和 vPrint()赚哗。下面我們構(gòu)造出一個 Derived 實(shí)例她紫，并分別將其地址賦給 Base 指針和 Derived 指針：
int main(int argc, char *argv[]) {
Derived *foo = new Derived(1);
Base *bar = foo;
foo->print();
foo->vPrint();
bar->print();
bar->vPrint();
return 0;
}
我們看看程序運(yùn)行的結(jié)果：
Derived1::print() called
Derived::vPrint() called
Base::print() called
Derived::vPrint() called
可以看到，對于 Derived 指針的操作正如它應(yīng)該表現(xiàn)的樣子屿储，然而當(dāng)我們把相同對象的地址賦給 Base 指針時贿讹，可以發(fā)現(xiàn)它的非虛函數(shù)竟然表現(xiàn)出了父類的行為，并沒有被重寫的樣子够掠。
這是什么原因呢民褂？
C++ 類的實(shí)質(zhì)是什么
首先我們要明白 C++ 中類的實(shí)質(zhì)到底是什么。實(shí)際上疯潭，類在 C++ 中就是 struct （結(jié)構(gòu)體）的一種擴(kuò)展赊堪，允許了更高級的繼承和虛函數(shù)。那么也就是說竖哩，結(jié)構(gòu)體缺少的實(shí)際上就是虛函數(shù)哭廉。
對于一般的成員變量，它和結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存布局上是完全一樣的期丰，不管是順序還是內(nèi)存對齊群叶，完全一致吃挑。而一個類的方法地址并不會存儲在一個實(shí)例的內(nèi)存中。對于非虛函數(shù)街立，它們在內(nèi)存中的地址是唯一的舶衬，你可以把它想象成普通函數(shù)，只不過第一個參數(shù)是 this 指針赎离，在通過類對象指針調(diào)用時逛犹，編譯器會根據(jù)類型找到相應(yīng)非虛函數(shù)的地址，這個工作是編譯時完成的梁剔。
也就是說虽画，什么指針指向什么函數(shù)這是固定的，反正指針如果是 Base *荣病，那我就直接執(zhí)行 Base::print() 函數(shù)码撰。
揭開 vTable 的神秘面紗
既然非虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)這么簡單，那虛函數(shù)是不是會很復(fù)雜个盆？其實(shí)并不是那么復(fù)雜脖岛。虛函數(shù)的地址被存儲一張叫做虛表的東西里，我們其實(shí)很容易拿到這個虛表颊亮。下面我們通過 dump memory 的方式來揪出一個類的虛表：
看到我選中的那個字節(jié)柴梆，那是我們的一個實(shí)例變量，在這個實(shí)例變量的前面有 8 個字節(jié)的內(nèi)容终惑，那實(shí)際就是虛表的地址了绍在，我們嘗試將這個地址所指向的內(nèi)容拿出來：
這就是虛表的內(nèi)容了，什么雹有？你不信偿渡，下面我就把虛表中第一個函數(shù)揪出來執(zhí)行一下：
可以看到，Derived 類中重寫的 vPrint() 方法已經(jīng)被執(zhí)行件舵。這就說明虛函數(shù)在執(zhí)行時是一個動態(tài)的過程卸察，并不是在編譯時就確定下來要執(zhí)行哪一個函數(shù)，而是運(yùn)行時從虛表查到真正要執(zhí)行的函數(shù)的地址铅祸，然后再將 this 指針傳入執(zhí)行坑质。
到這里，我們已經(jīng)大致了解了虛函數(shù)是怎樣工作的了临梗。下面我們看看 Base 類和 Derived 類的虛表有什么區(qū)別涡扼。我修改了源碼，實(shí)例化了一個 Base 類對象 baz盟庞，然后分別 dump 出 Base 類和 Derived 類的內(nèi)存：
可以看出吃沪，兩個對象的虛表指針是不同的。然后我們看看這兩者虛表有什么不同：
這兩張?zhí)摫淼牡谝粋€函數(shù)不同什猖，因?yàn)?Derived 類重寫了 vPrint() 方法票彪，所以 Derived 的虛表第一個函數(shù)指針會有不同红淡，而 printTag() 我并沒有重寫，所以兩張表指向一個同一個函數(shù)降铸。
所以每個類都會維護(hù)一張?zhí)摫碓诤担幾g時，編譯器根據(jù)類的聲明創(chuàng)建出虛表推掸，當(dāng)對象被構(gòu)造時桶蝎，虛表的地址就會被寫入這個對象內(nèi)存的起始位置。這就是多態(tài)性在 C++ 中實(shí)現(xiàn)的方式谅畅，而像 Java登渣、OC 這樣的語言由于 Runtime 的存在，這些對象會有多余的內(nèi)存空間記錄類的信息（meta-object）毡泻，在運(yùn)行時根據(jù)這些信息解析出相應(yīng)的函數(shù)去執(zhí)行胜茧。雖然不同，但是異曲同工牙捉。
理解虛函數(shù)表有什么作用呢竹揍？
- 能讓你更好地理解 C++
- 一些 hook 技術(shù)就是利用虛表來實(shí)現(xiàn)的
Wrap Up
這篇文章就簡單地講了一下多態(tài)和虛函數(shù)在 C++ 中的實(shí)現(xiàn)，我們說 C++ 非常 magical 就是因?yàn)樗苡米詈唵蔚姆绞饺?shí)現(xiàn)各種面向?qū)ο缶幊痰奶匦孕安种档梦覀兘K身學(xué)習(xí)。
