C++ 虚函数表分析

上文在C++对象模型中，提到了vptl和vptr。写这篇文章即是在代码验证这二者。Talk is cheap。
平台：Win7 x64，编译：dev Cpp。

非继承下的vptr和vptl

#include 
using namespace std;

class Base
{
    public:
        Base(int i) : baseInt(i)  {  }
        ~Base() {   cout << "Base::~Base()" << endl;    }

        virtual void Base_virtual_func1()  { 
            cout << "Base::Base_virtual_func1" << endl; 
        }   
        virtual void Base_virtual_func2()  { 
            cout << "Base::Base_virtual_func2" << endl; 
        }
    
    private:
        int baseInt;
};

typedef void (*Fun)();

void test1()
{
    Base base(1000);
    cout << "对象起始地址：" << &base << endl;
    cout << "虚函数表的首地址: " << (int*)*(int*)(&base) << endl;
    
    cout << "虚函数1的地址： " <<  (int*)*(int*)(&base) << " ";
    Fun ptr1 = (Fun)*(int*)*(int*)(&base);
    ptr1();

    cout << "虚函数2的地址： " <<  (int*)*(int*)(&base) + 2<< " ";
    Fun ptr2 = (Fun)*((int*)*(int*)(&base) + 2);
    ptr2();

    cout << "---------------" << endl;
}

int main()
{
    test1();
}

输出结果：

1.jpg

从结果可以看出：Vptr 是放在对象起始地址。关系如图：

1.jpg

单继承下的vptr和vptl

#include 
using namespace std;

typedef void (*Fun)();

class Base
{
    public:
        Base(int i) : baseInt(i)    {   }
        ~Base() {   cout << "Base::~Base()" << endl;    }
    
        virtual void virtual_func() { 
            cout << "Base::virtual_func" << endl; 
        }
        virtual void Base_virtual_func()    { 
            cout << "Base::Base_virtual_func" << endl; 
        }
    private:
        int baseInt;
};

class Derive : public Base
{
    public:
        Derive(int d): Base(1000), DeriveInt(d) {   }
        ~Derive()   {   cout << "Derive::~Derive()" << endl;    }
        
        void virtual_func() override  {     
            cout << "Drive::virtual_func()" << endl;    
        }
        virtual void Drive_virtual_func()   {   
            cout << "Drive::Drive_virtual_func" << endl; 
        }   
    private:
        int DeriveInt;  
};

void test2()
{
    Derive derive(2000);
    
    cout << "对象起始地址：" << &derive << endl;
    cout << "虚函数表首地址：" <<  (int*)*(int*)(&derive) << endl;
    
    cout << "虚函数1的地址：" <<  (int*)*(int*)(&derive) << " ";
    Fun ptr1 = (Fun)*(int*)*(int*)(&derive);
    ptr1();
    
    cout << "虚函数2的地址：" <<  (int*)*(int*)(&derive) + 2 << " ";
    Fun ptr2 = (Fun)*((int*)*(int*)(&derive) + 2);
    ptr2();
    
    cout << "虚函数3的地址：" <<  (int*)*(int*)(&derive) + 4 << " ";
    Fun ptr3 = (Fun)*((int*)*(int*)(&derive) + 4);
    ptr3();
    
    cout << endl << "----------------------" << endl;
}

int main()
{
    test2();
}

输出结果：

2.jpg

从结果来看，virtual function一共有3种可能：

• 继承base class的virtual function函数实例。
• 可以使用覆盖掉base class的virtual function。
• 它可以加一个新的virtual fucntion。这时候virtual table的尺寸会增加一个新的slot，新的函数实例地址会放在其中。

如图所示：

3.jpg

多继承下的vptr和vptl

子类不覆盖父类的虚函数

#include 
using namespace std;

typedef void(*Fun)();

class Base1{
    public:
        virtual void f()    {   cout << "Base1::f" << endl; }
        virtual void g()    {   cout << "Base1::g" << endl; }
};

class Base2{
    public:
        virtual void f()    {   cout << "Base2::f" << endl; }
        virtual void g()    {   cout << "Base2::g" << endl; }
}; 

class Base3{
    public:
        virtual void f()    {   cout << "Base3::f" << endl; }
        virtual void g()    {   cout << "Base3::g" << endl; }
};


class Derive : public Base1, public Base2, Base3{
    public:
        virtual void a()    {   cout << "Derive::a" << endl;    }
        virtual void b()    {   cout << "Derive::b" << endl;    }
};

void v_table_test4()
{
    Derive  d;

    Fun func_ptr1 = nullptr;
    Fun func_ptr2 = nullptr;

    Fun func_ptr4 = nullptr;
    Fun func_ptr5 = nullptr;

    Fun func_ptr7 = nullptr;
    Fun func_ptr8 = nullptr;

    Fun func_ptr10 = nullptr;
    Fun func_ptr11 = nullptr;
    
    cout << "对象起始地址： " << (int*)(&d) << endl;
    
    cout << "第1个vptr地址：" << (int*)(&d) << endl;
    cout << "第1个虚函数表首地址： " << (int*)*(int*)(&d) << endl;

    func_ptr1 = (Fun)*( (int*)*(int*)(&d));
    func_ptr2 = (Fun)*( (int*)*(int*)(&d) + 2);
    func_ptr4 = (Fun)*( (int*)*(int*)(&d) + 4);
    func_ptr5 = (Fun)*( (int*)*(int*)(&d) + 6);
    
    func_ptr1();
    func_ptr2();
    func_ptr4();
    func_ptr5();
    cout << "----------------" << endl;
    
    cout << "第2个vptr地址：" << (int*)(&d) + 2 << endl;
    cout << "第2个（vptr->vptl）虚函数表首地址： " << (int*)*( (int*)(&d) + 2) << endl;
    
    func_ptr7 = (Fun)*( (int*)*( (int*)(&d) + 2));
    func_ptr8 = (Fun)*( ((int*)*( (int*)(&d) + 2)) + 2);
    
    func_ptr7();
    func_ptr8();
    cout << "----------------" << endl;
    
    cout << "第3个vptr地址：" << (int*)(&d) + 4 << endl;
    cout << "第3个（vptr->vptl）虚函数表首地址： " << (int*)*( (int*)(&d) + 4) << endl;

    func_ptr10 = (Fun)*( (int*)*( (int*)(&d) + 4));;
    func_ptr11 = (Fun)*( ((int*)*( (int*)(&d) + 4)) + 2);

    func_ptr10();
    func_ptr11();   
}

int main()
{
    v_table_test4();
}

输出结果：

4.jpg

从结果看来，对于子类不覆盖父类的虚函数的多继承，子类有多个vptr和多个vptl，每一个vptr指向一个vptl，子类自己的虚函数在第一个vptl里面，
如图所示：

5.jpg

子类覆盖自己的虚函数
这个类似单继承下的vptr和vptl的，只是替换相应的函数地址。

多重继承和虚继承

比较复杂，暂时还不会。