C++虚函数调用机制初探

C++虚函数调用机制初探Introduction to the Mechanism of InvokingVirtual Function in C++电子系00级陈硕chenshuo@ 学习C++语言的最终目标是polymorphism。

——侯捷只用一样东西，不明白它的道理，实在不高明——林语堂排版的同学请注意：请尽量不要修改本文正文（尤其是程序代码）的字型、字号、行距、段距等，特别请不要分栏，另请删除这句话☺。

本文将简要介绍单继承下C++的对象模型和虚函数调用机制。

关于C++对象模型的深入探讨，请看华中科技大学出版的《深度探索C++对象模型》一书。

所谓C++对象模型，指C++类所生成的实体（即对象）在内存中的长相，亦即每个数据成员的位置等等。

请注意，不同的C++ 编译器采用的对象模型是不同的，以下的讨论仅适用于Borland C++ Builder 5.5 Free。

本文所列之代码，适宜在命令行下编译，具体操作步骤请参考侯捷先生的文章：《在console mode中使用C/C++编译器》/article99-10.htm学习C++一个很重要的内容，就是了解类的继承与虚函数的使用，请看下面这个使用虚函数的简单例子。

#0001 //exam_1.cpp#0002 //bcc32 exam_1.cpp 命令行编译，使用Borland C++ Builder 5.5 Free#0003 #include <iostream> //注意，这里没有.h，这样写符合符合C++ Standard#0004 using std::cout; //此为C++ Standard所要求#0005 using std::endl;#0006#0007 class Base {#0008 public:#0009 virtual void foo() { cout << "Base::foo " << ", a = " << a << endl; } #0010 Base():a(123) { } // constructor#0011 protected:#0012 int a;#0013 };#0014#0015 class Derived : public Base#0016 {#0017 public:#0018 virtual void foo() {#0019 cout << "Derived::foo " << ", a = "#0020 << a << ", b = " << b << endl;#0021 }#0022 Derived():b(456) { }; // constructor#0023 private:#0024 int b;#0025 };#0026#0027 int main()#0028 {#0029 Base *pb = new Base;#0030 cout << "Point to a Base object: \n";#0031 pb->foo();#0032 delete pb;#0033#0034 pb = new Derived; //注意这里pb的型别（Type）为Base*#0035 cout << "\nPoint to a Derived object: \n";#0036 pb->foo();#0037 delete pb;#0038 }运行结果：Point to a Base object:Base::foo , a = 123Point to a Derived object:Derived::foo , a = 123, b = 456运行结果符合预期，如果你问：为什么31行和36行两处的pb->foo();会有不同的执行结果，老师会告诉你，因为它们实际指向不同的对象，前一次pb指向一个Base对象，后一次pb指向一个Dericed对象，这是后期联编（或者叫“迟绑定”）的结果；如果你还要问：后期联编是怎么实现的，效率如何，请继续阅读本文。

为了探个究竟，我们研究一下两处pb->foo();所生成的汇编代码。

在命令行执行bcc32 –S exam_1.cpp将exam_1.cpp文件编译为exam_1.asm，打开这个文件，两处pb->foo();生成的汇编代码跃入眼帘：; 这里 ebx == pb; 第一处; pb->foo();; 生成的汇编指令push ebxmov eax,dword ptr [ebx]call dword ptr [eax]pop ecx//此处省略若干行; 这里 ebx == pb; 第二处; pb->foo();; 生成的汇编指令push ebxmov eax,dword ptr [ebx]call dword ptr [eax]pop ecx两处pb->foo();生成的汇编代码代码并无二致，但因两处pb（即EBX）的值不同，以致有不同的输出。

还可以看出，pb被当作函数的第一个参数传入（push ebx），也就是说每个成员函数的第一个参数都是this指针。

我把以上汇编代码翻译为C++ 伪代码，如下：//请注意，以下并非合法之C++代码ppf为指向“函数指针”的指针（Pointer to Pointer to Function）ppf = *((int*)pb); //按某种方式提领(dereferencing)指针pb，获得ppf的值pf = *ppf; //pf为函数指针pf(pb); //调用pf指向的函数, 自动增加pb为函数的第一个参数可见Base对象的第一个数据成员是一个指向“函数指针”的指针，我们称之为vptr；vptr（即ppf）所指之处，有一个表，称vtbl（虚函数表）；这个表的每个元素，都是函数指针，表中第一个（或者说第0个）函数指针指向Base::foo()。

我以图形来说明vptr与vtbl的关系，箭头表示指针的指向。

在更实际的例子中，vtbl应不止一项。

为了理解C++的对象模型，我们可以模拟C++的虚函数调用机制，自己手工调用虚函数，请看例子：#0001 //exam_2.cpp#0002 //bcc32 exam_1.cpp 命令行编译，使用Borland C++ Builder Free 5.5#0003 #include <iostream>#0004 using std::cout;#0005 using std::endl;#0006#0007 class Base {#0008 public:#0009 virtual void zuu() { cout << "Base::zuu" << endl; }#0010 virtual void foo() { cout << "Base::foo, a = "#0011 << a << endl; }#0012 virtual void gaa(int c) {#0013 cout << "Base::gaa, a = " << a#0014 << ", c = " << c << endl;#0015 }#0016 Base():a(123) { };#0017 protected:#0018 int a;#0019 };#0020#0021 class Derived : public Base#0022 {#0023 public: //这里重载了基类三个虚函数中的两个#0024 virtual void zuu(){ cout << "Derived::zuu" << endl; }#0025 virtual void foo() {#0026 cout << "Derived::foo, a = " << a#0027 << ", b = " << b << endl;#0028 }#0029 Derived():b(456) { };#0030 private:#0031 int b;#0032 };#0033#0034 void mycall_noPara(void *_this, int n);#0035 void mycall_int(void *_this, int n, int para);#0036#0037 int main()#0038 {#0039 Base *pb = new Derived;#0040 cout << "Derived object: \n";#0041 pb->zuu(); //实际调用 Derived::zuu()#0042 pb->foo(); //实际调用 Derived::foo()#0043 pb->gaa(100); //实际调用 Base::gaa()#0044 cout << "\nManually invoke the virtual functions : \n" ;#0045 mycall_noPara(pb, 0); //调用第0个虚函数, 实际为Derived::zuu() #0046 mycall_noPara(pb, 1); //调用第1个虚函数, 实际为Derived::foo() #0047 mycall_int(pb, 2, 200); //调用第2个虚函数，注意函数参数#0048 //以上这行实际调用Base::gaa(int)#0049 delete pb;#0050#0051 pb = new Base;#0052 cout << "\n\nBase object: \n";#0053 pb->zuu(); //实际调用 Base::zuu()#0054 pb->foo(); //实际调用 Base::foo()#0055 pb->gaa(300); //实际调用 Base::gaa()#0056 cout << "\nManually invoke the virtual functions : \n" ;#0057 mycall_noPara(pb, 0); //调用第0个虚函数, 实际为Base::zuu()#0058 mycall_noPara(pb, 1); //调用第1个虚函数, 实际为Base::foo()#0059 mycall_int(pb, 2, 400); //调用第2个虚函数，注意函数参数#0060 //以上这行实际调用Base::gaa(int)#0061 delete pb;#0062 }#0063#0064 void mycall_noPara(void *_this, int n)#0065 {#0066 typedef void (*VTBL)(); //函数指针#0067 typedef VTBL* VPTR; //指向“函数指针”的指针#0068 VPTR vptr = *(VPTR*)_this; // 由_this取得vptr的值#0069 VTBL vtbl_n = vptr[n]; // 取得第n个虚函数的入口地址#0070#0071 typedef void (*PFV)(void*);#0072 // 指向“形参为void*的函数”的指针#0073 PFV pf = (PFV)vtbl_n; // 转换函数原型#0074 pf(_this); // 调用该函数，参数为this指针#0075 }#0076#0077 void mycall_int(void *_this, int n, int para)#0078 {#0079 typedef void (*VTBL)();#0080 typedef VTBL* VPTR;#0081 VPTR vptr = *(VPTR*)_this; // 由_this取得vptr的值#0082 VTBL vtbl_n = vptr[n]; // 取得第n个虚函数的入口地址#0083#0084 typedef void (*PFVI)(void*, int);#0085 // 指向“形参为(void*, int)的函数”的指针#0086 PFVI pf = (PFVI)vtbl_n; // 转换函数原型#0087 pf(_this, para); // 调用该函数，参数为this指针与para#0088 }64到88行的代码是前述伪代码的“合法化”版本，其中运用了大量型别转换技巧，请不要太专注于此。