三 虚函数表VTABLE
动态联编过程跟我们猜测的大致相同。编译器在执 行过程中遇到virtual关键字的时候，将自动安装动态联编需要的机制，首先为这 些包含virtual函数的类（注意不是类的实例）--即使是祖先类包含虚函数而本身 没有--建立一张虚拟函数表VTABLE。在这些虚拟函数表中，编译器将依次按照函 数声明次序放置类的特定虚函数的地址。同时在每个带有虚函数的类中放置一个 称之为vpointer的指针，简称vptr，这个指针指向这个类的VTABLE。
关于 虚拟函数表，有几点必须声明清楚：
1. 每一个类别只能有一个虚拟函数 表，如果该类没有虚拟函数，则不存在虚拟函数表。
2. C++编译时候编译 器会在含有虚函数的类中加上一个指向虚拟函数表的指针vptr。
3. 从一 个类别诞生的每一个对象，将获取该类别中的vptr指针，这个指针同样指向类的 VTABLE。
因此类、对象、VTABLE的层次结构可以用下图表示。其中X类和Y 类的对象的指针 都指向了X,Y的虚拟函数表，同时X,Y类自身也包含了指向虚拟函 数的指针。
为了方 便问题说明，我们将2.cpp例子进行扩展，扩展程序如下。//4.cpp
15. #include
16. class shape{
17. public:
18. virtual void draw(){cout
编译器在编译上面这段代码的时候将为这shape和circle两个对象 分别建立一个VTABLE表，这些表依次填充派生类对象和基类对象中声明的所有的 虚函数地址。如果派生类本身没有重新定义基类的虚函数，那么填充的就是基类 的虚函数地址。这样一旦如果函数调用一个派生类不存在的方法时候能够自动调 用基类方法。然后编译器在每个类中放置一个vptr，一般置于对象的起始位置， 继而在对象的构造函数中将vptr初始化为本类的VTABLE的地址。整个结果布局如 下。
图一
图一中的rectangle的VTABLE中的area() 和triangle的VTABLE的adjust() 都是填充的基类的虚函数地址。 C++ 编译程序时候按下面的步骤进行工 作:
①为各类建立虚拟函数表，如果没有虚函数则不建立。
②暂时 不连接虚函数，而是将各个虚函数的地址放入虚拟函数表中。
③直接连接 各静态函数。
这些工作做完之后，模块图如图二：
图二
执行时候，诞生了oneshape和circleshape两个对象，oneshape对象的 vptr指针指向shape的VTABLE，circleshape对象的vptr指针指向circleshape的 VTABLE，在执行oneshape.fun()的时候，fun函数的this指针指向了oneshape对象 ，进入fun()之后程序继续执行this->draw()，由于this指向oneshape对象， oneshape的vptr又指向shape类的VTABLE，这样就从VTABLE中得到需要绑定的函数 的地址，并连接起来。同样，this-> area()也经由oneshape对象而连接到相 应的函数上，如图三。
图三
现在我们执行baseshape.fun()函数。
circle circleshape;
shape& baseshape=circleshape;
baseshape.fun();
函数进入fun函数之后，函数的this指针将指向 basefun对象，另一方面basefun指向一个circleshape，因此this指针指向的实际 上为circleshape对象，而circleshape的vptr指针指向circle类的虚拟函数表， 这样编译器将从虚拟表中取出circle::draw()和circle::area()的地址，进行连 接。因为circle本身没有重新定义area()方法，因此编译器使用shape的area()方 法。如图四。
图四
遵循上面的思路，基于基类的指针总能找到正确的子类对象的实现。但是 象上面的 this->draw是怎么编译的呢。
四 编译内幕
在上面的 程序中，this指针不同，从而连接到不同的fun函数。那么C++如何编译这些指令 呢。道理在于：所有的基类的派生类的虚拟函数表的顺序与基类的顺序是一样的 ，对于基类中不存在方法再按照声明次序进行排放。这样不管是shape还是circle 或者从shape又继承出来的其余的类它们的虚拟函数表的第一项总是draw函数的地 址，然后是area的地址。对于circle类，下面的才是adjust的地址。因此不管对 于shape还是circle，this->draw总是编译成 call this->VTABLE[0]; this->area()总是翻译成 call this->VTABLE[1]; 程序到真正运行时候将 会发现this的真正指向的对象，如果是shape,则调用shape->VTABLE[0]，如果 是circle，则调用circle->VTABLE[1]，如图五。
图五
请看下面的这个例子。
35. #include
36. class shape{
37. public:
38. virtual void draw() {coutadjust();//错误,编译器无法通过
52.
53. circle* circleshape;
54. circleshape->adjust();
55. }
在程序编译期间，由于oneshape为shape类型的，因此它将检查shape 的虚拟函数表，发现VTABLE[0]为draw函数的地址，于是翻译成p->VTABLE[0] 。未来执行期间，p 实际上指向的是circle对象，因此真正调用的为circle- >VTABLE[0]处的函数，即circle::draw。同样对于adjust函数，C++ 编译器也 会去检查shape的VTABLE，结果编译器无法找到adjust函数，因此编译无法通过。 对于circleshape，因为它是circleshape类型的，因此它将会检查circle的 VTABLE,得知VTABLE[2]处为adjust的地址，因此编译器翻译成call circleshape ->VTABLE[2]，真正执行时候circleshape为circle类型，因此它将绑定circle 的VTABLE[2]处的函数即circle:: adjust()。 就这样，编译器借助虚拟函数表实 现了动态联编的过程，从而使多态的实现有了可能。因此说虚拟函数表是多态性 的幕后功臣一点也不为过。
五 结束语
多态性的实现是一个非常复 杂的过程，上面的讨论仅仅是针对简单继承而言，即基类只有一个的情况，对于 多重继承，情况又会有所改变。本文仅是抛砖引玉，希望有兴趣的朋友可以一起 探讨。
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发表于 2016-10-17 16:25:24
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