虚函数

C++中虚函数的作用是实现动态多态，能够使用指向派生类的基类指针调用派生类的重写的函数。如果不使用虚函数可能会有一些奇妙的现象。

如果不使用虚函数会发生什么呢

有以下代码：

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#include <iostream>
class A
{
  public:
    int value = 10;
    void printValue()
    {
        std::cout << "A::value = " << value << std::endl;
    }
};

class B : public A
{
  public:
    int value = 20;
    void printValue()
    {
        std::cout << "B::value = " << value << std::endl;
    }
};

int main()
{
    B b = B();
    b.printValue();
}

输出结果为 B::value = 20

结果是正确的，实例b调用的是B类重写的函数，显示的为B类的value值。

但如果main函数中使用的为指针，见下情况：

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int main()
{
    A *p = new B();
    p->printValue();
    std::cout << "Accessed value: " << p->value << std::endl;
    delete p;
    p = nullptr;
}

输出的结果为 A::value = 10 Accessed value: 10

可发现指针调用的还是类A的函数，访问的也为类A的变量。这是因为，指针p为类A类型的指针，在编译阶段就已确定其类型，实现的为静态绑定，要调用的函数在编译时就已确定。

见p->printValue()对应的汇编代码

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movq    -24(%rbp), %rax
movq    %rax, %rdi
call    A::printValue()

如何解决

为解决此问题，可将类A中函数定义为虚函数，加上关键词virtual。这样在编译阶段会为类生成一个虚函数表，函数表中的指针指向的为函数的地址。这样在派生类中重写时，会在派生类的虚函数表中更新，这样在使用指针调用时，会去虚函数表中查询函数的地址，就会调用自己的（重写的）函数。此时该调用哪个函数是运行时确定的，实现的是动态绑定。

见代码

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#include <iostream>
class A
{
  public:
    int value = 10;
    virtual void printValue()
    {
        std::cout << "A::value = " << value << std::endl;
    }
};

class B : public A
{
  public:
    int value = 20;
    void printValue()
    {
        std::cout << "B::value = " << value << std::endl;
    }
};

int main()
{
    A *p = new B();
    p->printValue();
    delete p;
    p = nullptr;
}

输出结果 B::value = 20

见p->printValue()汇编代码

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movq    -24(%rbp), %rax     ; this指针指向当前对象实例
movq    (%rax), %rax        ; 从 %rax 寄存器中保存的地址（即当前对象的起始位置）加载一个值到 %rax。
                            ; 这个值通常是对象的虚函数表指针（vtable pointer），因此现在 %rax 中存储的是虚函数表的地址。
movq    (%rax), %rdx        ; 从 %rax 指向的虚函数表地址中读取第一个64位的值，并存储到 %rdx。这个值是虚函数表中第一个函数的地址。
movq    -24(%rbp), %rax     ; 再次从栈帧的 -24 位置加载 this 指针到 %rax，准备作为参数传递给即将调用的函数。
movq    %rax, %rdi          ; 将 this 指针存储到 %rdi 寄存器中。
call    *%rdx               ; 调用虚函数表的第一个函数.此时，%rdi 已经包含了 this 指针，函数调用时将把 this 指针传递给被调用的虚函数。

其他发现

同时可见汇编代码中增加了虚函数表和类型信息。

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vtable for B:
        .quad   0
        .quad   typeinfo for B
        .quad   B::printValue()
vtable for A:
        .quad   0
        .quad   typeinfo for A
        .quad   A::printValue()
typeinfo for B:
        .quad   vtable for __cxxabiv1::__si_class_type_info+16
        .quad   typeinfo name for B
        .quad   typeinfo for A
typeinfo name for B:
        .string "1B"
typeinfo for A:
        .quad   vtable for __cxxabiv1::__class_type_info+16
        .quad   typeinfo name for A
typeinfo name for A:
        .string "1A"

vtable for B

第一项为指示虚基类指针的位置。如果没有虚基类，这个条目是空的（即0）。

第二项为指向B类的类型信息结构的指针（即RTTI信息）。

第三项开始是指向类B的虚函数。这里为printValue()的指针。当通过B类的对象调用这个虚函数时，会跳转到这个地址。

typeinfo for B

此为类的类型信息。

第一项为指向__si_class_type_info类的虚函数表（用来表示单继承类型信息），是编译器生成的内部结构。

第二项为指向表示 B 类名称的字符串。（可用typeid函数查看到）。

第三项为指向基类 A 的类型信息。这表明 B 是从 A 继承而来。

虚函数
https://noeliufz.github.io/2024/08/21/xu-han-shu/
作者
Fangzhou Liu
發布於
2024年8月21日
許可協議