虚函数调用的实现细节

Question

首先，我想明确一点，我知道C++标准中没有虚函数表和虚函数指针的概念。然而，我认为几乎所有的实现都以非常相似的方式实现了虚函数调用机制（如果我错了，请纠正我，但这不是主要问题）。此外，我相信我知道虚函数如何工作，也就是说，我可以总是知道哪个函数将被调用，我只需要实现细节。

假设有人问我以下问题：
"你有一个带有虚函数v1、v2、v3的基类B和一个派生类D:B，它覆盖了函数v1和v3并添加了一个虚函数v4。请解释虚调度的工作原理。"

我的回答如下：
对于每个具有虚函数的类（在本例中为B和D），我们有一个单独的指向函数的指针数组，称为虚函数表。
B的虚函数表将包含

&B::v1
&B::v2
&B::v3

D的虚函数表将包含以下内容

&D::v1
&B::v2
&D::v3
&D::v4 

现在类B包含一个成员指针vptr。D自然继承它，因此也包含它。在B的构造函数和析构函数中，B将vptr设置为指向B的虚表。在D的构造函数和析构函数中，D将其设置为指向D的虚表。
对于多态类X的对象x上的任何虚函数f的调用都被解释为对x.vptr[f在虚表中的位置]的调用。

问题如下：
1. 上述描述是否有错误？
2. 编译器是如何知道f在虚表中的位置的（详细说明）？
3. 这是否意味着如果一个类有两个基类，则它有两个vptrs？在这种情况下会发生什么？（尽可能详细地描述）
4. 在一个顶部为A，中间为B、C，底部为D的菱形继承中会发生什么？（A是B和C的虚基类）

谢谢。

- Armen Tsirunyan

Answer 1

1. 在上述描述中是否有任何错误？

一切都好。:-)

2. 编译器如何知道vtable中f的位置？

每个供应商都有自己的方法，但我总是把vtable看作是将成员函数签名映射到内存偏移量的地图。因此，编译器只需维护此列表。

3. 这是否意味着如果一个类有两个基类，则它有两个vptrs？在这种情况下会发生什么？

通常，编译器会组合一个新的vtable，其中包含按照指定顺序附加在一起的所有虚拟基类的vtable，以及虚拟基类的vtable指针。然后加上派生类的vtable函数。这是极其与供应商相关的，但对于class D : B1, B2，你通常会看到D._vptr[0] == B1._vptr。

该图实际上是用于组合对象的成员字段，但是编译器可以按照完全相同的方式组合vtable（就我所知）。

4. 在一个菱形继承体系中，A在顶部，B、C在中间，D在底部时会发生什么？（A是B和C的虚拟基类）

简短的答案？绝对混乱。你是否虚拟继承了两个基类？只有其中一个？都没有？最终，使用相同的组合类vtable的技巧，但如何做到这一点因为应该如何做并没有确定而变化得太过极端。关于解决菱形继承问题有一个不错的解释在这里，但像大多数情况一样，这也非常供应商特定。

- Travis Gockel

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@Armen：问题在于我将cleanup定义为纯虚函数，这意味着无法调用它。 - Travis Gockel

@David：这对我来说是个新闻。背后的理由是什么？ - Oliver Charlesworth

@David：我明白了。所以并不是动态分派没有发生，而是它不会分派到当前正在进行析构函数覆盖的子对象？ - Oliver Charlesworth

@Armen，@Oli：我在codepad上写了一个小片段。这是我第一次在那里发布帖子，如果不能正常工作，请告诉我，我会在其他地方提供代码。 - David Rodríguez - dribeas

“Base1”被称为“主要基础”。 - curiousguy

Answer 2

1. 看起来不错

2. 实现方式各有不同，但大多数只是按照源代码顺序排列——也就是按照类中出现的顺序开始，从基类开始，然后添加派生类中的新虚拟函数。只要编译器有确定性的方法来执行此操作，那么它想做什么都可以。但是在Windows上，为了创建与COM兼容的V-Table，必须按照源代码顺序排列。

3. (不确定)

4. (猜测) 钻石表示您可以拥有两个基类B的副本。虚继承将它们合并为一个实例。因此，如果您通过D1设置成员，则可以通过D2读取它（其中C派生自D1、D2，它们都派生自B）。我相信，在这两种情况下，vtable都是相同的，因为函数指针是相同的——数据成员的内存是被合并的。

- Lou Franco

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抱歉，我对第三和第四个问题没有确定的答案。我认为有一步是确保您拥有正确的虚函数表，但我不知道具体细节。 - Lou Franco

Answer 3

评论：

• 我认为析构函数与此无关！

• 例如，D d; d.v1(); 这样的调用可能不会通过虚函数表实现，因为编译器可以在编译/链接时解析函数地址。

• 编译器知道 f 的位置是因为它自己放在那里！

• 是的，一个有多个基类的类通常会有多个虚指针（假设每个基类中都有虚函数）。

• Scott Meyers 的 "Effective C++" 书籍比我更好地解释了多重继承和菱形继承问题；我推荐阅读这些书籍，因为它们是必读的！

- Oliver Charlesworth

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@Oli：关于第一点 - 它们确实会这样做，否则当在Base的析构函数中调用虚函数f时，为什么会调用Base :: f而不是Derived :: f？ - Armen Tsirunyan

他是正确的，析构函数不会进行虚拟调用。为了在一个调用中实现这一点，它可能会像他描述的那样替换vtable（但要注意这都是特定于实现的）。 - Lou Franco

@Oli：顺便说一句，我已经读过梅耶斯（Meyers）的书，并在发布此帖子之前查阅了相关章节，但他并没有完全回答我具体的问题。 - Armen Tsirunyan

@Armen：在《More Effective C++》的第24项中，他给出了一种继承菱形的vptrs的可能实现。因为实现者会略有不同，所以没有一个明确的答案！ - Oliver Charlesworth

@Armen：在派生类中，根据对象的动态类型可能会调用覆盖。在一个层次结构base <- derived <- rederived中，当类型为rederived的对象完成~rederived后，对象的动态类型是derived。 - David Rodríguez - dribeas