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概述

文章参考：https://jacktang816.github.io/post/virtualfunction/

c++作为面向对象的语言，主要有三大特性：继承、封装、多态。关于多态，简而言之就是用父类型的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如：模板技术，RTTI技术，虚函数技术，要么是试图做到在编译时绑定，要么试图做到运行时绑定。因此C++的多态分为静态多态（编译时多态）和动态多态（运行时多态）两大类。静态多态通过重载、模板来实现；动态多态就是通过本文的主角虚函数来体现的。

实际上，当一个类中包含虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表，保存该类中虚函数的地址。同样派生类继承，派生类中自然一定有虚函数，所以编译器也会为派生类生成自己的虚函数表。当我们定义一个派生类对象编译器会检测该类是否有虚函数，所以为这个派生类对象生成一个虚函数指针，指向该类型的虚函数表，这个虚函数指针的初始化实在构造函数中完成的。

虚函数

对C++ 了解的人都应该知道虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表（Virtual Table）来实现的。简称为V-Table。在这个表中，主是要一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其容真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中，所以，当我们用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得由为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。因此有必要知道虚函数在内存中的分布。

class A {
  public:
    virtual void v_a(){}
    virtual ~A(){}
    int64_t _m_a;
};

int main(){
    A* a = new A();
    return 0;
}

如以上代码所示，在C++中定义一个对象 A，那么在内存中的分布大概是如图这个样子。

首先在主函数的栈帧上有一个 A 类型的指针指向堆里面分配好的对象 A 实例。
对象 A 实例的头部是一个 vtable 指针，紧接着是 A 对象按照声明顺序排列的成员变量。（当我们创建一个对象时，便可以通过实例对象的地址，得到该实例的虚函数表，从而获取其函数指针。）
vtable 指针指向的是代码段中的 A 类型的虚函数表中的第一个虚函数起始地址。
虚函数表的结构其实是有一个头部的，叫做 vtable_prefix ，紧接着是按照声明顺序排列的虚函数。
注意到这里有两个虚析构函数，因为对象有两种构造方式，栈构造和堆构造，所以对应的，对象会有两种析构方式，其中堆上对象的析构和栈上对象的析构不同之处在于，栈内存的析构不需要执行 delete 函数，会自动被回收。
typeinfo 存储着 A 的类基础信息，包括父类与类名称，C++关键字 typeid 返回的就是这个对象。
typeinfo 也是一个类，对于没有父类的 A 来说，当前 tinfo 是 class_type_info 类型的，从虚函数指针指向的vtable 起始位置可以看出。

通过之前的分析可以知道其实传统认为的虚函数表并不是单独存在而是虚表的一部分，如下图所示

紫色线框中的内容仅限于虚拟继承的情形（若无虚拟继承，则无此内容）
“offset to top”是指到对象起始地址的偏移值，只有多重继承的情形才有可能不为0，单继承或无继承的情形都为0。
“RTTI information”是一个对象指针，它用于唯一地标识该类型。
“virtual function pointers”也就是我们之前理解的虚函数表，其中存放着虚函数指针列表。

Virtual table（虚表）只实现了虚拟函数的一半机制,如果只有这些是没有用的。只有用某种方法指出每个对象对应的 vtbl 时,它们才能使用。这是 virtual table pointer 的工作,它来建立这种联系。

每个声明了虚函数的对象都带有它,它是一个看不见的数据成员,指向对应类的virtual table。这个看不见的数据成员也称为 vptr,被编译器加在对象里,位置只有才编译器知道。

虚函数的实现原理

当调用一个虚函数时，首先通过对象内存中的vptr找到虚函数表vtbl，接着通过vtbl找到对应虚函数的实现区域并进行调用。其中被执行的代码必须和调用函数的对象的动态类型相一致。编译器需要做的就是如何高效的实现提供这种特性。不同编译器实现细节也不相同。大多数编译器通过虚表vtbl（virtual table）和虚表指针vptr（virtual table pointer）来实现的。当一个类声明了虚函数或者继承了虚函数，这个类就会有自己的vtbl。vtbl核心就是一个函数指针数组，有的编译器用的是链表，不过方法都是差不多。vtbl数组中的每一个元素对应一个函数指针指向该类的一个虚函数，同时该类的每一个对象都会包含一个vptr，vptr指向该vtbl的地址。在有继承关系时(子类相对于其直接父类)

一般继承时，子类的虚函数表中先将父类虚函数放在前，再放自己的虚函数指针。
如果子类覆盖了父类的虚函数，将被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。
在多继承的情况下，每个父类都有自己的虚表，子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。，也就是说当类在多重继承中时，其实例对象的内存结构并不只记录一个虚函数表指针。基类中有几个存在虚函数，则子类就会保存几个虚函数表指针

其他知识点

内联函数 (inline)

虚函数用于实现运行时的多态，或者称为晚绑定或动态绑定。而内联函数用于提高效率。内联函数的原理是，在编译期间，对调用内联函数的地方的代码替换成函数代码。内联函数对于程序中需要频繁使用和调用的小函数非常有用。默认地，类中定义的所有函数，除了虚函数之外，会隐式地或自动地当成内联函数(注意：内联只是对于编译器的一个建议，编译器可以自己决定是否进行内联).
无论何时，**使用基类指针或引用来调用虚函数，它都不能为内联函数(因为调用发生在运行时)**。但是，无论何时，使用类的对象(不是指针或引用)来调用时，可以当做是内联，因为编译器在编译时确切知道对象是哪个类的。

构造函数不定义为虚函数

虚函数调用只需要知道“部分”的信息，即只需要知道函数的接口，而不需要知道对象的具体类型。但是，我们要创建一个对象的话，是需要知道对象的完整信息的。特别是，需要知道要创建对象的确切类型，因此，构造函数不应该被定义成虚函数。而且从目前编译器实现虚函数进行多态的方式来看，虚函数的调用是通过实例化之后对象的虚函数。

虚函数基于虚表vtable（内存空间），构造函数 (constructor) 如果是virtual的，调用时也需要根据vtable寻找，但是constructor是virtual的情况下是找不到的，因为constructor自己本身都不存在了，创建不到class的实例，没有实例class的成员（除了public static/protected static for friend class/functions，其余无论是否virtual）都不能被访问了。此外构造函数不仅不能是虚函数。而且在构造函数中调用虚函数，实际执行的是父类的对应函数，因为自己还没有构造好,多态是被disable的。

析构函数 (deconstructor)要求为虚函数

对于可能作为基类的类的析构函数要求就是virtual的。因为如果不是virtual的，派生类析构的时候调用的是基类的析构函数，而基类的析构函数只要对基类部分进行析构，从而可能导致派生类部分出现内存泄漏问题。

静态成员函数 (static)不能为虚函数

static成员不属于任何类对象或类实例，所以即使给此函数加上virutal也是没有任何意义的。此外静态与非静态成员函数之间有一个主要的区别，那就是静态成员函数没有this指针，从而导致两者调用方式不同。虚函数依靠vptr和vtable来处理。vptr是一个指针，在类的构造函数中创建生成，并且只能用this指针来访问它，因为它是类的一个成员，并且vptr指向保存虚函数地址的vtable。虚函数的调用关系：this -> vptr -> vtable ->virtual function，对于静态成员函数，它没有this指针，所以无法访问vptr. 这就是为何static函数不能为virtual。

纯虚函数

析构函数可以是纯虚的，但纯虚析构函数必须有定义体，因为析构函数的调用是在子类中隐含的。