C++ virtual function table analysis
Chen Hao
http://blog.csdn.net/haoel
foreword
The role of virtual functions in C++ is mainly to realize the mechanism of polymorphism. Regarding polymorphism, in a nutshell, it uses the pointer of the parent type to point to the instance of its subclass, and then calls the member function of the actual subclass through the pointer of the parent class. This technique allows the pointer of the parent class to have "multiple shapes", which is a generic technique. The so-called generic technology, to put it bluntly, is trying to use constant code to implement variable algorithms. For example: template technology, RTTI technology, virtual function technology, either try to do the resolution at compile time, or try to do the resolution at runtime.
Regarding the use of virtual functions, I will not elaborate too much here. You can look at the relevant C + + books. In this article, I just want to give you a clear analysis of the implementation mechanism of virtual functions.
Of course, the same articles have appeared on the Internet, but I always feel that these articles are not very easy to read. There are large sections of code, no pictures, no detailed descriptions, no comparisons, and no inferences. It's not good for learning and reading, so that's why I want to write this article. I also hope that you will give me more opinions.
Closer to home, let us enter the world of virtual functions together.
virtual function table
Anyone who knows C++ should know that virtual functions ( Virtual Function ) are implemented through a virtual function table ( Virtual Table ). Referred to as V-Table . In this table, we mainly need the address table of the virtual function of a class. This table solves the problem of inheritance and coverage, and ensures that its content truly reflects the actual function. In this way, in an instance of a class with virtual functions, this table is allocated in the memory of this instance, so when we use the pointer of the parent class to operate a subclass, this virtual function table is very important. Now, it is like a map, indicating the actual function that should be called.
Here we focus on this virtual function table. The C++ compiler should ensure that the pointer to the virtual function table exists in the frontmost position of the object instance (this is to ensure the highest performance of fetching the virtual function table - if there are multiple inheritances or multiple inheritances) ). This means that we get this virtual function table through the address of the object instance, and then we can traverse the function pointer and call the corresponding function.
Hearing all this talk, I can tell you're probably more dizzy now than you were before. It doesn't matter, the following is an actual example, I believe you will understand it at a glance.
Suppose we have a class like this:
class Base {
public:
virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
};
According to the above statement, we can get the virtual function table through the instance of Base . Here is the actual routine:
typedef void(*Fun)(void);
Base b;
Fun pFun = NULL;
cout << " Address of virtual function table: " << ( int *)(&b) << endl;
cout << " Virtual function table - address of the first function: " << ( int *)*( int *)(&b) << endl;
// Invoke the first virtual function
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
pFun();
The actual running results are as follows: (Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)
Virtual function table address: 0012FED4
Virtual function table - first function address: 0044F148
Base::f
通过这个示例，我们可以看到，我们可以通过强行把&b转成int *，取得虚函数表的地址，然后，再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了，也就是Base::f()，这在上面的程序中得到了验证（把int*强制转成了函数指针）。通过这个示例，我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()，其代码如下：
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()
这个时候你应该懂了吧。什么？还是有点晕。也是，这样的代码看着太乱了。没问题，让我画个图解释一下。如下所示：
注意：在上面这个图中，我在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符“/0”一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下，这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，这个值是如果1，表示还有下一个虚函数表，如果值是0，表示是最后一个虚函数表。
下面，我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况，主要目的是为了给一个对比。在比较之下，我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。
一般继承（无虚函数覆盖）
下面，再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系：
请注意，在这个继承关系中，子类没有重载任何父类的函数。那么，在派生类的实例中，其虚函数表如下所示：
对于实例：Derive d; 的虚函数表如下：
我们可以看到下面几点：
1）虚函数按照其声明顺序放于表中。
2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。
我相信聪明的你一定可以参考前面的那个程序，来编写一段程序来验证。
一般继承（有虚函数覆盖）
覆盖父类的虚函数是很显然的事情，不然，虚函数就变得毫无意义。下面，我们来看一下，如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数，会是一个什么样子？假设，我们有下面这样的一个继承关系。
为了让大家看到被继承过后的效果，在这个类的设计中，我只覆盖了父类的一个函数：f()。那么，对于派生类的实例，其虚函数表会是下面的一个样子：
我们从表中可以看到下面几点，
1）覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。
2）没有被覆盖的函数依旧。
这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，
Base *b = new Derive();
b->f();
由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。
多重继承（无虚函数覆盖）
下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类并没有覆盖父类的函数。
对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：
我们可以看到：
1） 每个父类都有自己的虚表。
2） 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）
这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。
多重继承（有虚函数覆盖）
下面我们再来看看，如果发生虚函数覆盖的情况。
下图中，我们在子类中覆盖了父类的f()函数。
下面是对于子类实例中的虚函数表的图：
我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。如：
Derive d;
Base1 *b1 = &d;
Base2 *b2 = &d;
Base3 *b3 = &d;
b1->f(); //Derive::f()
b2->f(); //Derive::f()
b3->f(); //Derive::f()
b1->g(); //Base1::g()
b2->g(); //Base2::g()
b3->g(); //Base3::g()
安全性
每次写C++的文章，总免不了要批判一下C++。这篇文章也不例外。通过上面的讲述，相信我们对虚函数表有一个比较细致的了解了。水可载舟，亦可覆舟。下面，让我们来看看我们可以用虚函数表来干点什么坏事吧。
一、通过父类型的指针访问子类自己的虚函数
我们知道，子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数，但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数：
Base1 *b1 = new Derive();
b1->f1(); //编译出错
任何妄图使用父类指针想调用子类中的未覆盖父类的成员函数的行为都会被编译器视为非法，所以，这样的程序根本无法编译通过。但在运行时，我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。（关于这方面的尝试，通过阅读后面附录的代码，相信你可以做到这一点）
二、访问non-public的虚函数
另外，如果父类的虚函数是private或是protected的，但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中，所以，我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数，这是很容易做到的。
如：
class Base {
private:
virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
};
class Derive : public Base{
};
typedef void(*Fun)(void);
void main() {
Derive d;
Fun pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d)+0);
pFun();
}
结束语
C++这门语言是一门Magic的语言，对于程序员来说，我们似乎永远摸不清楚这门语言背着我们在干了什么。需要熟悉这门语言，我们就必需要了解C++里面的那些东西，需要去了解C++中那些危险的东西。不然，这是一种搬起石头砸自己脚的编程语言。
在文章束之前还是介绍一下自己吧。我从事软件研发有十个年头了，目前是软件开发技术主管，技术方面，主攻Unix/C/C++，比较喜欢网络上的技术，比如分布式计算，网格计算，P2P，Ajax等一切和互联网相关的东西。管理方面比较擅长于团队建设，技术趋势分析，项目管理。欢迎大家和我交流，我的MSN和Email是：[email protected]
附录一：VC中查看虚函数表
我们可以在VC的IDE环境中的Debug状态下展开类的实例就可以看到虚函数表了（并不是很完整的）
附录 二：例程
下面是一个关于多重继承的虚函数表访问的例程：
#include <iostream>
using namespace std;
class Base1 {
public:
virtual void f() { cout << "Base1::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base1::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base1::h" << endl; }
};
class Base2 {
public:
virtual void f() { cout << "Base2::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base2::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base2::h" << endl; }
};
class Base3 {
public:
virtual void f() { cout << "Base3::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base3::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base3::h" << endl; }
};
class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
virtual void f() { cout << "Derive::f" << endl; }
virtual void g1() { cout << "Derive::g1" << endl; }
};
typedef void(*Fun)(void);
int main()
{
Fun pFun = NULL;
Derive d;
int** pVtab = (int**)&d;
//Base1's vtable
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+0);
pFun = (Fun)pVtab[0][0];
pFun();
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+1);
pFun = (Fun)pVtab[0][1];
pFun();
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+2);
pFun = (Fun)pVtab[0][2];
pFun();
//Derive's vtable
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+3);
pFun = (Fun)pVtab[0][3];
pFun();
//The tail of the vtable
pFun = (Fun)pVtab[0][4];
cout<<pFun<<endl;
//Base2's vtable
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);
pFun = (Fun)pVtab[1][0];
pFun();
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);
pFun = (Fun)pVtab[1][1];
pFun();
pFun = (Fun)pVtab[1][2];
pFun();
//The tail of the vtable
pFun = (Fun)pVtab[1][3];
cout<<pFun<<endl;
//Base3's vtable
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);
pFun = (Fun)pVtab[2][0];
pFun();
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);
pFun = (Fun)pVtab[2][1];
pFun();
pFun = (Fun)pVtab[2][2];
pFun();
//The tail of the vtable
pFun = (Fun)pVtab[2][3];
cout<<pFun<<endl;
return 0;
}
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