通过对象指针的方式强行指定到子类_C++中的虚指针与虚函数表

最近在逛B站的时候发现有候捷老师的课程，如获至宝。因此，跟随他的讲解又复习了一遍关于C++的内容，收获也非常的大，对于某些模糊的概念及遗忘的内容又有了更深的认识。

以下内容是关于虚函数表、虚函数指针，而C++中的动态绑定实现和这两个内容是分不开的。

虚函数表、虚指针

当一个类在实现的时候，如果存在一个或以上的虚函数时，那么这个类便会包含一张虚函数表。而当一个子类继承并重载了基类的虚函数时，它也会有自己的一张虚函数表。当我们在设计类的时候，如果把某个函数设置成虚函数时，也就表明我们希望子类在继承的时候能够有自己的实现方式；如果我们明确这个类不会被继承，那么就不应该有虚函数的出现。

下面是某个基类A的实现：

class

从下图中可以看到该类在内存中的存放形式，对于虚函数的调用是通过查虚函数表来进行的，每个虚函数在虚函数表中都存放着自己的一个地址，而如何在虚函数表中进行查找，则是通过虚指针来调用，在内存结构中它一般都会放在类最开始的地方，而对于普通函数则不需要通过查表操作。这张虚函数表是什么时候被创建的呢？它是在编译的时候产生，否则这个类的结构信息中也不会插入虚指针的地址信息。

以下例子包含了继承关系：

class

以上三个类在内存中的排布关系如下图所示：

对于非虚函数，三个类中虽然都有一个叫 func2 的函数，但他们彼此互不关联，因此都是各自独立的，不存在重载一说，在调用的时候也不需要进行查表的操作，直接调用即可。
由于子类B和子类C都是继承于基类A，因此他们都会存在一个虚指针用于指向虚函数表。注意，假如子类B和子类C中不存在虚函数，那么这时他们将共用基类A的一张虚函数表，在B和C中用虚指针指向该虚函数表即可。但是，上面的代码设计时子类B和子类C中都有一个虚函数 vfunc1，因此他们就需要各自产生一张虚函数表，并用各自的虚指针指向该表。由于子类B和子类C都对 vfunc1 作了重载，因此他们有三种不同的实现方式，函数地址也不尽相同，在使用的时候需要从各自类的虚函数表中去查找对应的 vfunc1 地址。
对于虚函数 vfunc2，两个子类都没有进行重载操作，所以基类A、子类B和子类C将共用一个 vfunc2，该虚函数的地址会分别保存在三个类的虚函数表中，但他们的地址是相同的。
从上图可以发现，在类对象的头部存放着一个虚指针，该虚指针指向了各自类所维护的虚函数表，再通过查找虚函数表中的地址来找到对应的虚函数。
对于类中的数据而言，子类中都会包含父类的信息。如上例中的子类C，它自己拥有一个变量 m_data1，似乎是和基类中的 m_data1 重名了，但其实他们并不存在联系，从存放的位置便可知晓。

关于动态绑定

在设计了以上三个类之后，我们就要开始对它们进行使用。

int

假如在程序中分别创建两个对象 a 和 b，a的创建是通过将b强制转化为类A得来的。对于 b.vfunc1() 的调用，应该没有太的疑问，它所调用的就是类B中的 vfunc1。而对于 a.vfunc1() 的调用，它虽然是强制转化后的结果，但并不能改变它是一个类A对象的事实，因此这里调用的便是类A中的 vfunc1，也就是上图中显示绿色的函数。

int

将程序改写成以上内容，pa 是一个类A的指针，但它指向的是一个类B的对象。在使用pa调用 vfunc1 的时候，程序发现pa是一个指针，并且现在正在调用一个虚函数叫做 vfunc1，这时通过 pa->vptr 这个虚指针到类B的虚函数中（上图的B vtbl）找对应的虚函数地址，找到该地址以后，就用相应的虚函数来进行调用，也就是调用上图所示的 B::vfunc1()。

pa是类A的指针，为什么查找的是类B的虚函数表？
只要某一个类X包含虚函数，无论是它的父类或者它本身拥有，那么这个类的对象都会包含一个虚指针vptr，至于vptr要指向哪张表，取决于类X它本身是否含有虚函数。此处，类B中存在虚函数，那么它就会拥有自己的一张虚函数表。pa指向的是一个类B的对象，因此 p-vptr 指代的是类B中虚指针，所以它查找的是类B的虚函数表
如何从虚函数表中查找到 vfunc1 的地址？
虚函数表中的内容是在编译的时候确定的，通过以下方式进行查找 (* p->vptr[n] )(p) 或者 (* (p->vptr)[n] )(p)，它的解读是：通过类对象指针p找到虚指针vptr，再查找到虚函数表中的第n个内容，并将他作为函数指针进行调用，调用时的入参是p(式子中的第二个p)，而这个p就是隐藏的this指针，这里的n也是在编译的时候确定的。