一、概述

为了实现 C++ 的多态，C++ 使用了一种动态绑定的技术。这个技术的核心是虚函数表（下文简称虚表）。本文介绍虚函数表是如何实现动态绑定的。

二、类的虚表

“多态” 的关键在于通过基类指针或引用调用一个虚函数时，编译时不确定到底调用的是基类还是派生类的函数，运行时才确定。这是如何实现的呢？

请看下面的程序，该程序演示了多态类对象存储空间的大小。

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#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
    int i;
    virtual void func() {}
    virtual void func2() {}
};
class B : public A
{
    int j;
    void func() {}
};
int main()
{
    cout << sizeof(A) << ", " << sizeof(B);  //输出 8,12
    return 0;
}

在 32 位编译模式下，程序的运行结果是：
8, 12

如果将程序中的 virtual 关键字去掉，输出结果变为：
4, 8

对比发现，有了虚函数以后，对象所占用的存储空间比没有虚函数时多了 4 个字节。实际上，任何有虚函数的类及其派生类的对象都包含这多出来的 4 个字节，这 4 个字节就是实现多态的关键——它位于对象存储空间的最前端，其中存放的是虚函数表的地址。

每一个有虚函数的类（或有虚函数的类的派生类）都有一个虚函数表，该类的任何对象中都放着该虚函数表的指针（可以认为这是由编译器自动添加到构造函数中的指令完成的）。

虚函数表是编译器生成的，程序运行时被载入内存。一个类的虚函数表中列出了该类的全部虚函数地址。例如，在上面的程序中，类 A 对象的存储空间以及虚函数表（假定类 A 还有其他虚函数）如图 1 所示。


图 1：类 A 对象的存储空间以及虚函数表

类 B 对象的存储空间以及虚函数表（假定类 B 还有其他虚函数）如图 2 所示。


图 2：类 B 对象的存储空间以及虚函数表

多态的函数调用语句被编译成根据基类指针所指向的（或基类引用所引用的）对象中存放的虚函数表的地址，在虚函数表中查找虚函数地址，并调用虚函数的一系列指令。

假设 pa 的类型是 A*，则 pa->func() 这条语句的执行过程如下：

  1. 取出 pa 指针所指位置的前 4 个字节，即对象所属的类的虚函数表的地址（在 64 位编译模式下，由于指针占 8 个字节，所以要取出 8 个字节）。如果 pa 指向的是类 A 的对象，则这个地址就是类 A 的虚函数表的地址；如果 pa 指向的是类 B 的对象，则这个地址就是类 B 的虚函数表的地址。

  2. 根据虚函数表的地址找到虚函数表，在其中查找要调用的虚函数的地址。不妨认为虚函数表是以函数名作为索引来查找的，虽然还有更高效的查找方法。

如果 pa 指向的是类 A 的对象，自然就会在类 A 的虚函数表中查出 A::func 的地址；如果 pa 指向的是类 B 的对象，就会在类 B 的虚函数表中查出 B::func 的地址。

类 B 没有自己的 func2 函数，因此在类 B 的虚函数表中保存的是 A::func2 的地址，这样，即便 pa 指向类 B 的对象，pa->func2();这条语句在执行过程中也能在类 B 的虚函数表中找到 A::func2 的地址。

  1. 根据找到的虚函数的地址调用虚函数。

由以上过程可以看出，只要是通过基类指针或基类引用调用虚函数的语句，就一定是多态的，也一定会执行上面的查表过程，哪怕这个虚函数仅在基类中有，在派生类中没有。

多态机制能够提高程序的开发效率，但是也增加了程序运行时的开销。虚函数表、各个对象中包含的 4 个字节的虚函数表的地址都是空间上的额外开销；而查虚函数表的过程则是时间上的额外开销。

在计算机发展的早期，计算机非常昂贵稀有，运行速度慢，计算机的运算时间和内存是宝贵的，因此人们不惜多花人力编写运行速度更快、更节省内存的程序；如今，计算机的运算时间和内存往往没有人的时间宝贵，运算速度也很快，因此，在用户可以接受的前提下，降低程序运行的效率以提升人员的开发效率就是值得的了。“多态” 的应用就是典型例子。

每个包含了虚函数的类都包含一个虚表。

我们知道，当一个类（A）继承另一个类（B）时，类 A 会继承类 B 的函数的调用权。所以如果一个基类包含了虚函数，那么其继承类也可调用这些虚函数，换句话说，一个类继承了包含虚函数的基类，那么这个类也拥有自己的虚表。

我们来看以下的代码。类 A 包含虚函数 vfunc1，vfunc2，由于类 A 包含虚函数，故类 A 拥有一个虚表。

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class A {
public:
    virtual void vfunc1();
    virtual void vfunc2();
    void func1();
    void func2();
private:
    int m_data1, m_data2;
};

类 A 的虚表如图 1 所示。

图 1：类 A 的虚表示意图

虚表是一个指针数组，其元素是虚函数的指针，每个元素对应一个虚函数的函数指针。需要指出的是，普通的函数即非虚函数，其调用并不需要经过虚表，所以虚表的元素并不包括普通函数的函数指针。
虚表内的条目，即虚函数指针的赋值发生在编译器的编译阶段，也就是说在代码的编译阶段，虚表就可以构造出来了。

三、虚表指针

虚表是属于类的，而不是属于某个具体的对象，一个类只需要一个虚表即可。同一个类的所有对象都使用同一个虚表。

为了指定对象的虚表，对象内部包含一个虚表的指针，来指向自己所使用的虚表。为了让每个包含虚表的类的对象都拥有一个虚表指针，编译器在类中添加了一个指针，*__vptr，用来指向虚表。这样，当类的对象在创建时便拥有了这个指针，且这个指针的值会自动被设置为指向类的虚表。

图 2：对象与它的虚表

上面指出，一个继承类的基类如果包含虚函数，那个这个继承类也有拥有自己的虚表，故这个继承类的对象也包含一个虚表指针，用来指向它的虚表。

四、动态绑定

说到这里，大家一定会好奇 C++ 是如何利用虚表和虚表指针来实现动态绑定的。我们先看下面的代码。

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class A {
public:
    virtual void vfunc1();
    virtual void vfunc2();
    void func1();
    void func2();
private:
    int m_data1, m_data2;
};
class B : public A {
public:
    virtual void vfunc1();
    void func1();
private:
    int m_data3;
};
class C: public B {
public:
    virtual void vfunc2();
    void func2();
private:
    int m_data1, m_data4;
};

类 A 是基类，类 B 继承类 A，类 C 又继承类 B。类 A，类 B，类 C，其对象模型如下图 3 所示。

图 3：类 A，类 B，类 C 的对象模型

由于这三个类都有虚函数，故编译器为每个类都创建了一个虚表，即类 A 的虚表（A vtbl），类 B 的虚表（B vtbl），类 C 的虚表（C vtbl）。类 A，类 B，类 C 的对象都拥有一个虚表指针，*__vptr，用来指向自己所属类的虚表。

类 A 包括两个虚函数，故 A vtbl 包含两个指针，分别指向A::vfunc1()和A::vfunc2()。

类 B 继承于类 A，故类 B 可以调用类 A 的函数，但由于类 B 重写了B::vfunc1()函数，故 B vtbl 的两个指针分别指向B::vfunc1()和A::vfunc2()。

类 C 继承于类 B，故类 C 可以调用类 B 的函数，但由于类 C 重写了C::vfunc2()函数，故 C vtbl 的两个指针分别指向B::vfunc1()（指向继承的最近的一个类的函数）和C::vfunc2()。

虽然图 3 看起来有点复杂，但是只要抓住 “对象的虚表指针用来指向自己所属类的虚表，虚表中的指针会指向其继承的最近的一个类的虚函数” 这个特点，便可以快速将这几个类的对象模型在自己的脑海中描绘出来。

非虚函数的调用不用经过虚表，故不需要虚表中的指针指向这些函数。

假设我们定义一个类 B 的对象bObject。由于bObject是类 B 的一个对象，故bObject包含一个虚表指针，指向类 B 的虚表。

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int main() 
{
    B bObject;
}

现在，我们声明一个类 A 的指针 p 来指向对象bObject。虽然p是基类的指针只能指向基类的部分，但是虚表指针亦属于基类部分，所以p可以访问到对象bObject的虚表指针。bObject的虚表指针指向类 B 的虚表，所以p可以访问到 B vtbl。如图 3 所示。

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int main() 
{
    B bObject;
    A *p = & bObject;
}

当我们使用p来调用vfunc1()函数时，会发生什么现象？

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int main() 
{
    B bObject;
    A *p = & bObject;
    p->vfunc1();
}

程序在执行p->vfunc1()时，会发现p是个指针，且调用的函数是虚函数，接下来便会进行以下的步骤。

首先，根据虚表指针p->__vptr来访问对象bObject对应的虚表。虽然指针p是基类A*类型，但是*__vptr也是基类的一部分，所以可以通过p->__vptr可以访问到对象对应的虚表。

然后，在虚表中查找所调用的函数对应的条目。由于虚表在编译阶段就可以构造出来了，所以可以根据所调用的函数定位到虚表中的对应条目。对于p->vfunc1()的调用，B vtbl 的第一项即是vfunc1对应的条目。

最后，根据虚表中找到的函数指针，调用函数。从图 3 可以看到，B vtbl 的第一项指向B::vfunc1()，所以p->vfunc1()实质会调用B::vfunc1()函数。

如果p指向类 A 的对象，情况又是怎么样？

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int main() 
{
    A aObject;
    A *p = &aObject;
    p->vfunc1();
}

当aObject在创建时，它的虚表指针__vptr已设置为指向 A vtbl，这样p->__vptr就指向 A vtbl。vfunc1在 A vtbl 对应在条目指向了A::vfunc1()函数，所以p->vfunc1()实质会调用A::vfunc1()函数。

可以把以上三个调用函数的步骤用以下表达式来表示：

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(*(p->__vptr)[n])(p)

可以看到，通过使用这些虚函数表，即使使用的是基类的指针来调用函数，也可以达到正确调用运行中实际对象的虚函数。

我们把经过虚表调用虚函数的过程称为动态绑定，其表现出来的现象称为运行时多态。动态绑定区别于传统的函数调用，传统的函数调用我们称之为静态绑定，即函数的调用在编译阶段就可以确定下来了。

那么，什么时候会执行函数的动态绑定？这需要符合以下三个条件。

  • 通过指针来调用函数
  • 指针 upcast 向上转型（继承类向基类的转换称为 upcast，关于什么是 upcast，可以参考本文的参考资料）
  • 调用的是虚函数

如果一个函数调用符合以上三个条件，编译器就会把该函数调用编译成动态绑定，其函数的调用过程走的是上述通过虚表的机制。

五、总结

封装，继承，多态是面向对象设计的三个特征，而多态可以说是面向对象设计的关键。C++ 通过虚函数表，实现了虚函数与对象的动态绑定，从而构建了 C++ 面向对象程序设计的基石。

参考资料