C++面向对象总结——虚指针与虚函数表

最近在逛B站的时候发现有候捷老师的课程，如获至宝。因此，跟随他的讲解又复习了一遍关于C++的内容，收获也非常的大，对于某些模糊的概念及遗忘的内容又有了更深的认识。

以下内容是关于虚函数表、虚函数指针，而C++中的动态绑定实现和这两个内容是分不开的。

一，虚函数表、虚指针

当一个类在实现的时候，如果存在一个或以上的虚函数时，那么这个类便会包含一张虚函数表。而当一个子类继承并重写了基类的虚函数时，它也会有自己的一张虚函数表。

当我们在设计类的时候，如果把某个函数设置成虚函数时，也就表明我们希望子类在继承的时候能够有自己的实现方式；如果我们明确这个类不会被继承，那么就不应该有虚函数的出现。

下面是某个基类A的实现：

class A {

public:

    virtual void vfunc1();

    virtual void vfunc2();

            void func1();

            void func2();

private:

    int m_data1, m_data1;

};

从下图中可以看到该类在内存中的存放形式，对于虚函数的调用是通过查虚函数表来进行的，每个虚函数在虚函数表中都存放着自己的一个地址，而如何在虚函数表中进行查找，则是通过虚指针来调用，在内存结构中它一般都会放在类最开始的地方，而对于普通函数则不需要通过查表操作。这张虚函数表是什么时候被创建的呢？它是在编译的时候产生，否则这个类的结构信息中也不会插入虚指针的地址信息。

以下例子包含了继承关系：

class A {

public:

    virtual void vfunc1();

    virtual void vfunc2();

            void func1();

            void func2();

private:

    int m_data1, m_data1;

};

class B : public A {

public:

    virtual void vfunc1();

            void func2();

private:

    int m_data3;

};

class C : public B {

public:

    virtual void vfunc1();

            void func2();

private:

    int m_data1, m_data4;

};

以上三个类在内存中的排布关系如下图所示：

对于非虚函数，三个类中虽然都有一个叫 func2 的函数，但他们彼此互不关联，因此都是各自独立的，不存在重载一说，在调用的时候也不需要进行查表的操作，直接调用即可。
由于子类B和子类C都是继承于基类A，因此他们都会存在一个虚指针用于指向虚函数表。注意，假如子类B和子类C中不存在虚函数，那么这时他们将共用基类A的一张虚函数表，在B和C中用虚指针指向该虚函数表即可。但是，上面的代码设计时子类B和子类C中都有一个虚函数 vfunc1，因此他们就需要各自产生一张虚函数表，并用各自的虚指针指向该表。由于子类B和子类C都对 vfunc1 作了重载，因此他们有三种不同的实现方式，函数地址也不尽相同，在使用的时候需要从各自类的虚函数表中去查找对应的 vfunc1 地址。
对于虚函数 vfunc2，两个子类都没有进行重载操作，所以基类A、子类B和子类C将共用一个 vfunc2，该虚函数的地址会分别保存在三个类的虚函数表中，但他们的地址是相同的。
从上图可以发现，在类对象的头部存放着一个虚指针，该虚指针指向了各自类所维护的虚函数表，再通过查找虚函数表中的地址来找到对应的虚函数。
对于类中的数据而言，子类中都会包含父类的信息。如上例中的子类C，它自己拥有一个变量 m_data1，似乎是和基类中的 m_data1 重名了，但其实他们并不存在联系，从存放的位置便可知晓。

二，关于动态绑定

首先来说一说静态绑定：静态绑定是指在程序编译过程中，把函数（方法或者过程）调用与响应调用所需的代码结合的过程（如何理解呢？）

来看一段代码：

#include <iostream>

using namespace std;

class Shape {

protected:

    int width, height;

public:

    Shape(int a,int b):width(a),height(b){}

    int area()

    {

        cout << "Parent class area :" << endl;

        return 0;

    }

};

//将Rectangle类继承Shape类

class Rectangle : public Shape {

public:

    Rectangle(int a,int b) :Shape(a, b) { }

    int area()

    {

        cout << "Rectangle class area :" <<width*height<< endl;

        return 0;

    }

};

// 程序的主函数

int main()

{

    Shape* shape;//定义shpae类指针

    Rectangle rec(10, 7);//派生类对象

    // 基类指针指向派生类对象（存储矩形的地址）

    shape = &rec;

    // 调用矩形的求面积函数 area

    shape->area();

    return 0;

}

可以看到调用的却是派生类的函数。

在没有加virtual关键字的时候，通过基类指针指向派生类对象时，基类指针只能访问派生类的成员变量，但是不能访问派生类的成员函数。这是因此在系统编译过程中，已经将area()函数和shape类绑定在一起了。

而动态绑定是在加了virtual关键字以后，派生类中的成员函数在重写的时候会自动生成自己的虚函数表（单独的一个地址），并通过虚指针指向该地址。

即：shape指针->vptr->Rectangle::area()

通过以上内容，我们可以知道在使用基类指针调用虚函数的时候，它能够根据所指的类对象的不同来正确调用虚函数。而这些能够正常工作，得益于虚指针和虚函数表的引入，使得在程序运行期间能够动态调用函数。

动态绑定有以下三项条件要符合：

使用指针进行调用
指针属于up-cast后的
调用的是虚函数

静态绑定，他们是类对象直接可调用的，而不需要任何查表操作，因此调用的速度也快于虚函数。