C++面向對象總結——虛指針與虛函數表

2021 年 8 月 12 日
筆記
c++筆記, C++面向對象總結

最近在逛B站的時候發現有候捷老師的課程，如獲至寶。因此，跟隨他的講解又複習了一遍關於C++的內容，收穫也非常的大，對於某些模糊的概念及遺忘的內容又有了更深的認識。

以下內容是關於虛函數表、虛函數指針，而C++中的動態綁定實現和這兩個內容是分不開的。

一，虛函數表、虛指針

當一個類在實現的時候，如果存在一個或以上的虛函數時，那麼這個類便會包含一張虛函數表。而當一個子類繼承並重寫了基類的虛函數時，它也會有自己的一張虛函數表。

當我們在設計類的時候，如果把某個函數設置成虛函數時，也就表明我們希望子類在繼承的時候能夠有自己的實現方式；如果我們明確這個類不會被繼承，那麼就不應該有虛函數的出現。

下面是某個基類A的實現：

class A {
public:
    virtual void vfunc1();
    virtual void vfunc2();
            void func1();
            void func2();
private:
    int m_data1, m_data1;
};

從下圖中可以看到該類在記憶體中的存放形式，對於虛函數的調用是通過查虛函數表來進行的，每個虛函數在虛函數表中都存放著自己的一個地址，而如何在虛函數表中進行查找，則是通過虛指針來調用，在記憶體結構中它一般都會放在類最開始的地方，而對於普通函數則不需要通過查表操作。這張虛函數表是什麼時候被創建的呢？它是在編譯的時候產生，否則這個類的結構資訊中也不會插入虛指針的地址資訊。

以下例子包含了繼承關係：

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;
};

以上三個類在記憶體中的排布關係如下圖所示：

對於非虛函數，三個類中雖然都有一個叫 func2 的函數，但他們彼此互不關聯，因此都是各自獨立的，不存在重載一說，在調用的時候也不需要進行查表的操作，直接調用即可。
由於子類B和子類C都是繼承於基類A，因此他們都會存在一個虛指針用於指向虛函數表。注意，假如子類B和子類C中不存在虛函數，那麼這時他們將共用基類A的一張虛函數表，在B和C中用虛指針指向該虛函數表即可。但是，上面的程式碼設計時子類B和子類C中都有一個虛函數 vfunc1，因此他們就需要各自產生一張虛函數表，並用各自的虛指針指向該表。由於子類B和子類C都對 vfunc1 作了重載，因此他們有三種不同的實現方式，函數地址也不盡相同，在使用的時候需要從各自類的虛函數表中去查找對應的 vfunc1 地址。
對於虛函數 vfunc2，兩個子類都沒有進行重載操作，所以基類A、子類B和子類C將共用一個 vfunc2，該虛函數的地址會分別保存在三個類的虛函數表中，但他們的地址是相同的。
從上圖可以發現，在類對象的頭部存放著一個虛指針，該虛指針指向了各自類所維護的虛函數表，再通過查找虛函數表中的地址來找到對應的虛函數。
對於類中的數據而言，子類中都會包含父類的資訊。如上例中的子類C，它自己擁有一個變數 m_data1，似乎是和基類中的 m_data1 重名了，但其實他們並不存在聯繫，從存放的位置便可知曉。

二，關於動態綁定

首先來說一說靜態綁定：靜態綁定是指在程式編譯過程中，把函數（方法或者過程）調用與響應調用所需的程式碼結合的過程（如何理解呢？）

來看一段程式碼：

#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;
    }
};
//將Rectangle類繼承Shape類
class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(int a,int b) :Shape(a, b) { }
    int area()
    {
        cout << "Rectangle class area :" <<width*height<< endl;
        return 0;
    }
};

// 程式的主函數
int main()
{
    Shape* shape;//定義shpae類指針
    Rectangle rec(10, 7);//派生類對象
    // 基類指針指向派生類對象（存儲矩形的地址）
    shape = &rec;
    // 調用矩形的求面積函數 area
    shape->area();
    return 0;
}

可以看到調用的卻是基類的函數。

在沒有加virtual關鍵字的時候，通過基類指針指向派生類對象時，基類指針只能訪問派生類的成員變數，但是不能訪問派生類的成員函數。這是因此在系統編譯過程中，已經將area()函數和shape類綁定在一起了。

而動態綁定是在加了virtual關鍵字以後，派生類中的成員函數在重寫的時候會自動生成自己的虛函數表（單獨的一個地址），並通過虛指針指向該地址。

即：shape指針->vptr->Rectangle::area()

通過以上內容，我們可以知道在使用基類指針調用虛函數的時候，它能夠根據所指的類對象的不同來正確調用虛函數。而這些能夠正常工作，得益於虛指針和虛函數表的引入，使得在程式運行期間能夠動態調用函數。

動態綁定有以下三項條件要符合：

使用指針進行調用
指針屬於up-cast後的
調用的是虛函數

靜態綁定，他們是類對象直接可調用的，而不需要任何查表操作，因此調用的速度也快於虛函數。

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