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C++ 虚函数、虚函数表、静态绑定与动态绑定笔记

article 2024/12/24 20:24:08

C++ 虚函数、虚函数表、静态绑定与动态绑定笔记

1. 什么是虚函数？

虚函数（virtual function）是类的成员函数，由 virtual 关键字修饰。
虚函数的调用方式在运行时通过对象的实际类型决定，而不是在编译时由指针或引用的静态类型决定。
作用：
- 支持 运行时多态。
- 允许通过基类指针或引用调用派生类的重写函数。

语法：

class Base {
public:
    virtual void func();  // 定义虚函数
};

2. 虚函数表（V-Table）

虚函数表是 C++ 编译器实现动态绑定的核心机制。

虚函数表的定义

每个包含虚函数的类都有一张 虚函数表 (Virtual Table, V-Table)。
表中存储：
1. RTTI (Run-Time Type Information)：运行时类型信息，存储类的类型信息。
2. 虚函数地址：类中所有虚函数的函数地址。

虚函数表的生成

基类：当类中定义了虚函数时，编译器会为该类生成一张虚函数表，存储该类虚函数的地址。
派生类：派生类继承基类时会生成自己的虚函数表：
- 如果派生类未重写基类的虚函数，则直接继承基类的虚函数表。
- 如果派生类重写了基类的虚函数，则其虚函数表中对应位置的地址会被派生类的实现覆盖。

3. 虚函数表指针（V-Ptr）

每个对象在内存中包含一个 虚函数表指针 (V-Ptr)，指向该类的虚函数表。
位置：
- 对象的前 4 个字节（在 32 位系统下）或前 8 个字节（在 64 位系统下）存储 V-Ptr。
作用：
- 指向所属类的虚函数表，用于动态绑定。

4. 虚函数表的内存布局

假设有如下类结构：

class Base {
public:
    virtual void func1();
    virtual void func2();
};

class Derived : public Base {
public:
    void func1() override;
};

基类 Base 的虚函数表：

V-Table for Base:
-----------------
| RTTI Pointer   | --> 存储 "Base" 类型信息
| Address of func1 --> &Base::func1
| Address of func2 --> &Base::func2

派生类 Derived 的虚函数表：

V-Table for Derived:
---------------------
| RTTI Pointer       | --> 存储 "Derived" 类型信息
| Address of func1   | --> &Derived::func1 (重写后的地址)
| Address of func2   | --> &Base::func2 (未重写的函数地址)

5. 静态绑定与动态绑定

绑定类型	绑定时间	适用函数类型	特点
静态绑定	编译时 (Compile-time)	普通函数	函数的调用地址在编译阶段确定，直接绑定到函数地址。
动态绑定	运行时 (Run-time)	虚函数	函数的调用地址在运行时通过虚函数表查找，根据对象实际类型决定。

6. 静态绑定与动态绑定的代码对比

示例代码

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    void staticFunc() {
        cout << "Base::staticFunc()" << endl;
    }
    virtual void dynamicFunc() {
        cout << "Base::dynamicFunc()" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void staticFunc() {
        cout << "Derived::staticFunc()" << endl;
    }
    void dynamicFunc() override {
        cout << "Derived::dynamicFunc()" << endl;
    }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();

    basePtr->staticFunc();  // 静态绑定，调用 Base::staticFunc()
    basePtr->dynamicFunc(); // 动态绑定，调用 Derived::dynamicFunc()

    delete basePtr;
    return 0;
}

输出结果

Base::staticFunc()
Derived::dynamicFunc()

代码解析

basePtr->staticFunc()：
- 静态绑定：调用 Base 中的 staticFunc，因为静态绑定与指针的静态类型相关。
basePtr->dynamicFunc()：
- 动态绑定：调用 Derived 中的 dynamicFunc，通过虚函数表实现。

7. 虚函数表的工作流程

编译阶段

为包含虚函数的类生成虚函数表。
如果派生类重写了虚函数，则更新虚函数表中对应的函数地址。
对象在内存中存储虚函数表指针。

运行阶段

通过对象的虚函数表指针访问虚函数表。
根据虚函数表中的地址，调用对应的函数。

8. 动态绑定的实现机制

动态绑定的汇编实现

以以下代码为例：

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

class Derived : public Base {
public:
    void func() override {
        cout << "Derived::func()" << endl;
    }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();
    basePtr->func();
    delete basePtr;
    return 0;
}

对应的汇编代码：

mov eax, [basePtr]       ; 将对象的地址加载到寄存器 eax
mov edx, [eax]           ; 通过 V-Ptr 获取虚函数表地址
mov ecx, [edx + offset]  ; 从虚函数表中读取虚函数地址
call ecx                 ; 调用虚函数

过程解析

basePtr 是一个 Derived 类型的对象，[basePtr] 的前 4 字节存储虚函数表指针。
mov edx, [eax]：将虚函数表地址加载到寄存器 edx。
mov ecx, [edx + offset]：通过偏移量查找虚函数地址。
call ecx：调用从虚函数表中找到的虚函数地址。

9. 虚函数对内存的影响

对象的内存布局

对象类型	内存组成
无虚函数对象	仅包含类的成员变量。
有虚函数对象	成员变量 + 虚函数表指针 (V-Ptr)。

虚函数表对内存的影响

虚函数表存储在只读数据区（.rodata），在运行时不可修改。
每个类对应一张虚函数表，虚函数数量决定了虚函数表的大小。
注意：虚函数的数量不影响对象的大小，但会增加虚函数表的大小。

10. 覆盖、隐藏与重载

概念	定义	适用范围
覆盖	派生类中重写基类的虚函数，要求返回值、函数名、参数列表均相同。	虚函数
隐藏	派生类中定义了与基类同名但参数列表不同的函数，基类的函数被隐藏。	普通函数、非虚函数
重载	同一类中定义的同名函数，通过参数列表的不同实现区分。	所有成员函数