C++ - 多态(2) | 虚表的打印、单继承与多继承的虚表

之前的文章中我们介绍了多态的原理以及虚表的知识，本文中我们将继续对多态进行更加深入的学习。

单继承中的虚函数表

虚函数表（虚表）的本质是一个函数指针数组，虚函数的地址会进入虚表。首先我们来看一下这样的一段代码：

class Base {
  public:
    Base()
        : _b(10) {
        ++_b;
    }

    virtual void Func1() {
        cout << "Base::Func1()" << endl;
    }

    virtual void Func2() {
        cout << "Base::Func2()" << endl;
    }

    void Func3() {
        cout << "Base::Func3()" << endl;
    }

  private:
    int _b = 1;
};

class Derive : public Base {
  public:
    virtual void Func1() {
        cout << "Derive::Func1()" << endl;
    }

    virtual void Func4() {
        cout << "Derive::Func4()" << endl;
    }
  private:
    int _d = 2;
};

int main() {
    Base b;
    Derive d;

    return 0;
}

在这段代码中Derive公有继承了Base，在Derive中虚函数重写了Func1函数，又写了一个Func4函数，然后我们对这段代码进行进行调试，发现了一个很神奇的现象，虽然Func4也是虚函数，但是它并没有显示在调试窗口里面，这是就会怀疑，这个表并没有展示完全，再通过内存窗口进行查看会发现有三个很相近的地址，这很有可能就是在Derive中的三个虚函数。下面我们便试图将虚函数表中的虚函数进行打印，这样可以更好的进行观察。(在vs系列的编译器中，编译器会在虚表的末尾添加上nullptr，g++没有)

vs下虚表的打印

编写一个打印虚表的函数得到的结果可以看出我们的猜测没有错误，在内存中的确实是Derive的虚表：

 下面就是打印虚表使用的函数：

// 用程序打印虚表
typedef void(*VF_PTR)(); // 声明一个函数指针，函数指针与一般的typedef不同，不能够写成这样的形式 typedef void(*)() VF_PTR

//void PrintVFTable(VF_PTR table[])
void PrintVFTable(VF_PTR* table){
	for (int i = 0; table[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, table[i]);
		VF_PTR f = table[i];
		f();
	}
	cout << endl;
}

int main(){
	Base b;
	Derive d;
	
	// 有两种方式：
	// 第一种方式有缺陷只能在32位的系统下使用，若是转换到了64位的系统就需要使用一种占据八个字节的指针
	// 第二种方式就是直接使用*(VF_PTR**)的方法
	//PrintVFTable((VF_PTR*)*(int*)&b);
	//PrintVFTable((VF_PTR*)*(int*)&d);
	PrintVFTable(*(VF_PTR**)&b);
	PrintVFTable(*(VF_PTR**)&d);
	return 0;
}

其余的一些问题

从上述中会有这样的问题：虚表是在什么时候生成？ -- 编译；对象中的虚表指针是在什么时候初始化的？ -- 构造函数的初始化列表；这从下图中即可看出走出构造函数之后虚表指针就有了值。

虚表存在哪里？下面我们来打印几个地址来进行判断：可以推断出虚表是存放在常量区的

动态绑定与静态绑定 

1. 静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，在程序编译期间确定了程序的行为，也称为静态多态，比如：函数重载
2. 动态绑定又称后期绑定(晚绑定)，是在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，调用具体的函数，也称为动态多态。 

多继承中的虚函数表

下面我们再来看一段代码：

class Base1 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:
	int b1;
};

class Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:
	int b2;
};

class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:
	int d1;
};

int main(){
	Derive d;

	return 0;
}

在上述的代码中我们重写了func1，添加了虚函数func3，进行调试会发现：Derive类中的func3函数也是虚函数但是与之前一样并没有不能在内存窗口中查看到，那么它到底存储在哪里？是在base1的虚表中，还是base2的虚表中，又或者是两张虚表中都会存在？于是我们便可以使用前面打印虚表的方法来进行查看。于是编写函数进行打印，可以看到虚函数func3存放在了第一张虚表中：

Derive d;
PrintVFTable((VF_PTR*)(*(int*)&d));
PrintVFTable((VF_PTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1)))); // 这里先要将&dDerive*类型的地址转换为char*的地址才能加上Base1的大小，在与之前一样转换为int*类型再解引用转换成VF_PTR*类型即可
//Base2* ptr2 = &d; // 简便的方法是我们可以对Derive类进行切片获得的自然就是Base2的地址。
//PrintVFTable((VF_PTR*)(*(int*)(ptr2)));

func1函数已经进行了多态的重写，但是在两张虚表中的地址却不相同，这点让人感到非常的奇怪。

下面我们来从汇编的角度来看一下为什么：可以看到Base1的指针直接就指向了func1函数，而Base2的指针需要转好几层才能指向func1函数

这里有一句关键指令sub ecx,8，ecx中一般存放的是this指针，这里做的就是修正this指针的位置，这里减少的8就是Base1的大小。再结合上述的信息就可以得到因为在继承中先继承的是Base1，后继承的是Base2，ptr1调用的时候直接就是虚表的地址，而ptr2调用的时候前面还有一个Base1大小的空间因此无法直接访问，需要先对this指针进行相关处理。下面我们将base1的大小进行修改，再次查看：当对Base1添加一个int类型的成员，我们会看到ecx后面跟的数变成了0Ch也就是12，即虚表指针加上两个int对象的大小。

如果继承的顺序发生了改变，同样修正的对象也会发生改变：

菱形继承中虚拟继承的问题

菱形虚拟继承过于复杂 ，这里不过多的讲解，在这说明之前我们在菱形虚拟继承中留下的一个问题，之前虚基表中的偏移量的第一位全是0，但是在这里可以发现并不是0，而变成了fcffffff，这个数转换成十进制就是-4，可以理解为到首地址的偏移量或者到虚标的地址的偏移量。