虚函数

多态

所谓多态，其实就是一个函数名具有多种状态，或者同一个接口表现出不同的行为。c++ 的多态主要有两种：

编译时多态：重载函数，模板
运行时多态：继承和虚函数

此处我们讨论的也就是运行时多态——虚函数

虚函数表

一个虚函数表不是属于某个对象，而是属于一个类的，就像静态成员变量/方法一样。当一个类中包含一个及以上的虚函数时，此时其就会生成一张虚函数表。如果有子类继承此基类，即使子类没有重写父类任何的虚函数，仍然会生成一张虚表（和父类一样）。下列代码可验证：

#include <iostream>

struct Base {
    virtual void func() {
        puts("Base virtual func");
    }
};

struct Derived : Base {

};

int main() {
    Base base;
    Derived derived;

    using ptr_t = unsigned long long*;

    auto base_vptr = reinterpret_cast<ptr_t>(&base);
    auto derived_vptr = reinterpret_cast<ptr_t>(&derived);  

    std::cout << std::hex;
    std::cout << (*base_vptr) << '\n';      // 0x7ff734f4bf10
    std::cout << (*derived_vptr) << '\n';   // 0x7ff734f4bf40

    return 0;
}

通过上面这个例子，我们已经可以知道三个点：

虚函数的地址是存放在虚函数表当中的。
每个对象里面会存储一个虚指针，指向对应类的虚函数表。
虚函数表是在编译阶段就被确定的。

接下来我们探寻虚函数机制里面的几个细节

虚函数指针是放在哪里的？

先上结论，放在每个对象开头的位置。观察以下代码：

#include <iostream>

struct Foo1 {
    int a, b;
};

struct Foo2 {
    int a, b;

    virtual void func() {}
};

int main() {
    std::cout << offsetof(Foo1, a) << ' ' << offsetof(Foo1, b) << '\n';
    // 0 4
    std::cout << offsetof(Foo2, a) << ' ' << offsetof(Foo2, b) << '\n';
    // 8 12

    return 0;
}

可以看出，同为两个类成员 a, b 的偏移量，为何多了一个虚函数开头就多占用了八个字节。这就是我们 vptr 占用的内存（我的编译器是 msvc 64位，指针大小位八字节）。

含虚函数的类的内存排布

这下我们就能大概写出一个含虚函数的类的内存排布了，如：

struct A {
    int data1, data2;

    virtual void vfunc1() {}
    virtual void vfunc2() {}
    void func1();
    void func2();
};

此类的成员和虚函数在内存中排布应该如下所示：

动态绑定

首先给出两个类的定义方便我们后面的代码展示：

struct Base {
    virtual void func() {
        puts("Base::func");
    }
};

struct Derived : Base {
    void func() override {
        puts("Derived::func");
    }	
};

—— 分隔 ——

int main() {
    Derived derived;
    derived.func();

    Base base = (Base)derived;
    base.func();

    return 0;
}

首先第一份代码是创建两个对象 derived 和 base。其中，base 是由 derived 强制转换而得到的。对于 derived 的调用结果毋庸置疑。而对于 base，其调用 func 其实还是调用其本身的 func。虽然它是强制转换而得到的，但是这并不能改变它是一个 Base 对象的事实。

int main() {
    Base* base = new Base;
    base->func();

    Derived derived;
    base = &derived;
    base->func();

    return 0;
}

将程序改写为如上。此时 base 是一个类 Base 的指针，之后指向了一个类 Derived 的对象。在 base 调用 func 的时候，发现其是一个指针，且调用的 func 是虚函数，那么其就会通过 base->vptr 找到指向对象的虚指针，而其指向的是一个 Derived 类型对象，那么这个虚指针也应该指向的是类 Derived 的虚函数表。因此，就调用到了正确的 Derived::func。

那么是如何从虚函数表中找到 func 的地址的：

首先我们需要明确：虚函数表的内容是编译期确定的，然后通过类对象指针 p 找到虚指针 vptr，再找到虚函数表中的第 n 个内容（此 n 为编译期确定）。然后对其调用，并传入对象指针 p，也就是隐式的 this 指针。换成代码可以等价为：