C++ | 虚表的写入时机

虚表

在C++的多态机制中，使用了 virtual 关键字声明的函数称之为虚函数，每个有虚函数的类或者虚继承的子类，编译器都会为它生成一个虚拟函数表（简称：虚表，以下用 vftable表示），表中的每一个元素都指向一个虚函数的地址。

我们都知道在C++中对象生成有两个步骤：
1、分配内存空间
2、调用构造函数
多态机制发生在运行阶段，也就是对象生成阶段。那么问题就来了，虚表（编译阶段生成）是什么时候被写入到对象中的呢？

1、探究虚函数表写入时机

目前有两种假设

• 假设一：虚表写入发生在在构造函数之前
• 假设二：虚表写入发生在在构造函数之后

这里设计了一段代码来探究虚表具体的写入时机

#include <iostream>

class Base     //定义基类
{
public:
    Base(int a) :ma(a) 
    {
        std::memset(this, 0, sizeof(this));
    }
    virtual void Show()
    {
        std::cout << "Base: ma = " << ma << std::endl;
    }
protected:
    int ma;
};


int main()
{
    Base* pb = new Base(10);      
    pb->Show();
    return 0;
}

实验原理：

• 在构造函数中使用 memset() 函数，把对象中的所有值赋值为0，如果虚表在构造函数之前被写入，将会是以下过程：
  对象开辟空间后，构造函数调用之前，对象中 vfptr==》vftable 虚表已经被写入对象（虚表指针中存入虚表的地址）
  
  调用构造函数后，std::memset(this, 0, sizeof(this)) 将对象全部赋值为0，vfptr==》NULL
  
  推测：如果虚表在构造函数之前被写入，那么，pb->Show() 将无法调用，程序崩溃

运行测试：

现在，我们在分析如果虚表在构造函数之后被写入。
那么，在调用构造函数后（ma=0. vfptr==》NULL），虚表会被写入对象，即 vfptr==》vftable 。根据上面的运行结果显示，显然不是这样的。

结论：

虚表（vftable）在编译阶段生成，对象内存空间开辟以后，写入对象中的 vfptr，然后调用构造函数。即：虚表在构造函数之前写入

2、虚表的二次写入

先别急着下结论，在上面的实验中我们只测试了基类，没有测试派生类。虚表可不只有一张，在它的继承类中也存在一份虚表，因此我们接下来再做一个实验：

#include <iostream>

class Base     //定义基类
{
public:
    Base(int a) :ma(a) 
    {
        std::memset(this, 0, sizeof(this));
    }
    virtual void Show()
    {
        std::cout << "Base: ma = " << ma << std::endl;
    }
protected:
    int ma;
};
///////////////////////////////////////////////////////////
// 以下为新添加部分
class Deriver : public Base     //派生类
{
public:
    Deriver(int b) :mb(b), Base(b) {} // 构造函数什么都不做
    void Show()
    {
        std::cout << "Deriver: mb = " << mb << std::endl;
    }
protected:
    int mb;
};
////////////////////////////////////////////////////////////
int main()
{
    Base* pb = new Deriver(10);       
    pb->Show();
    return 0;
}

这次加上派生类，并且依然让基类的构造中进行 memset() 操作，让我们来看看运行结果：

过程分析：（如下图所示）由于在子类的构造函数中没有做任何事，因此第③步虚表指向并没有改变，最后正常输出Deriver::mb 的内容。

从这里也可以看出多态实现的原理。每个类只有一张虚表，类的对象共享类的虚表，并且通过虚表的二次写入机制，让每个对象的虚表指针都能准确的指向到自己类的虚表，为实现动多态提供支持。

最后在附上一张动多态原理图：

在调用虚函数时，如pb->Show() ，通过对象的vfptr 查询虚表，在虚表中保存着 Deriver::Show() 的函数入口地址，从而实现父类指针访问子类对象的方法。

也就是说，在调用成员函数时会根据调用函数的对象的类型来执行不同的函数。从而实现了去调同一函数，而产生了不同的行为，形成了多种状态的效果。