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C++對象布局及多態實現的探索(二)

編輯:關於C++

虛函數的類的對象布局(1)

如果類中存在虛函數時,情況會怎樣呢?我們知道當一個類中有虛函數時,編譯器會為該類產生一個虛函數表,並在它的每一個對象中插入一個指向該虛函數表的指針,通常這個指針是插在對象的起始位置。所謂的虛函數表實際就是一個指針數組,其中的指針指向真正的函數起始地址。我們來驗證一下,定義一個無成員變量的類C040,內含一個虛函數。

struct C040
{
 virtual void foo() {}
};

運行如下代碼打印它的大小及對象中的內容。

PRINT_SIZE_DETAIL(C040)

結果為:

The size of C040 is 4

The detail of C040 is 40 b4 45 00

果然它的大小為4字節,即含有一個指針,指針指向的地址為0x0045b440.

同樣再定義一個空類C050,派生自類C040.

struct C050 : C040

{

};

由於虛函數會被繼承,且維持為虛函數。那麼類C050的對象中同樣應該含有一個指向C050的虛函數表的指針。

運行如下代碼打印它的大小及對象中的內容。

PRINT_SIZE_DETAIL(C050)

結果為:

The size of C050 is 4

The detail of C050 is 44 b4 45 00

果然它的大小也為4字節,即含有一個指向虛函數表(後稱虛表)的指針(後稱虛表指針)。

虛表是類級別的,類的所有對象共享同一個虛表。我們可以生成類C040的兩個對象,然後通過觀察對象的地址、虛表指針地址、虛表地址、及虛表中的條目的值(即所指向的函數地址)來進行驗證。

運行如下代碼:

C040 obj1, obj2;

PRINT_VTABLE_ITEM(obj1, 0, 0)

PRINT_VTABLE_ITEM(obj2, 0, 0)

結果如下:

obj1  : objadr:0012FDC4 vpadr:0012FDC4 vtadr:0045B440 vtival(0):0041D834

obj2  : objadr:0012FDB8 vpadr:0012FDB8 vtadr:0045B440 vtival(0):0041D834

(注:第一列為對象名,第二列(objadr)為對象的內存地址,第三列(vpadr)為虛表指針地址,第四列(vtadr)為虛表的地址,第五列(vtival(n))為虛表中的條目的值,n為條目的索引,從0開始。後同)

果然對象地址不同,虛表指針(vpadr)位於對象的起始位置,所以它的地址和對象相同。兩個對象的虛表指針指向的是同一個虛表,因此(vtadr)的值相同,虛表中的第一條目(vtival(0))的值當然也一樣。

接下來,我們再觀察類C040和從它派生的類C050的對象,這兩個類各有自己的虛表,但由於C050沒有重寫繼承自C040的虛函數,所以它們的虛表中的條目的值,即指向的虛函數的地址應該是一樣的。

運行如下代碼:

C040 c040;

C050 c050;

PRINT_VTABLE_ITEM(c040, 0, 0)

PRINT_VTABLE_ITEM(c050, 0, 0)

結果為:

c040   : objadr:0012FD4C vpadr:0012FD4C vtadr:0045B448 vtival(0):0041D834

c050   : objadr:0012FD40 vpadr:0012FD40 vtadr:0045B44C vtival(0):0041D834

果然這次我們可以看到雖然前幾列皆不相同,但最後一列的值相同。即它們共享同一個虛函數。

定義一個C043類,包含兩個虛函數。再定義一個C071類,從C043派生,並重寫繼承的第一個虛函數。

 struct C043
{
    virtual void foo1() {}
    virtual void foo2() {}
};
struct C071 : C043
{
    virtual void foo1() {}
};

我們可以預料到,C043和C071各有一個包含兩個條目的虛表,由於C071派生自C043,並且重寫了第一個虛函數。那麼這兩個類的虛表的第一個條目值是不同的,而第二項應該是相同的。運行如下代碼。

C043 c043;

C071 c071;

PRINT_SIZE_DETAIL(C071)

PRINT_VTABLE_ITEM(c043, 0, 0)

PRINT_VTABLE_ITEM(c071, 0, 0)

PRINT_VTABLE_ITEM(c043, 0, 1)

PRINT_VTABLE_ITEM(c071, 0, 1)

結果為:

The size of C071 is 4

The detail of C071 is 5c b4 45 00

c043   : objadr:0012FCD4 vpadr:0012FCD4 vtadr:0045B450 vtival(0):0041D4F1

c071   : objadr:0012FCC8 vpadr:0012FCC8 vtadr:0045B45C vtival(0):0041D811

c043   : objadr:0012FCD4 vpadr:0012FCD4 vtadr:0045B450 vtival(1):0041DFE1

c071   : objadr:0012FCC8 vpadr:0012FCC8 vtadr:0045B45C vtival(1):0041DFE1

觀察第1、2行的最後一列,即兩個類的虛表的第一個條目,由於C071重寫了foo1函數,所以這個值不一樣。而第3、4行的最後一列為兩個類的虛表的第二個條目,由於C071並沒有重寫它,所以這兩個值是相同的。和我們之間的猜測是一致的。

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