C++中的虛函數的作用主要是實現了多態的機制。關于多態，簡而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實例，然后通過父類的指針調用實際子類的成員函數。這種技術可以讓父類的指針有“多種形態”，這是一種泛型技術。所謂泛型技術，說白了就是試圖使用不變的代碼來實現可變的算法。比如：模板技術，RTTI技術，虛函數技術，要么是試圖做到在編譯時決議，要么試圖做到運行時決議。

關于虛函數的使用方法，我在這里不做過多的闡述。大家可以看看相關的C++的書籍。在這篇文章中，我只想從虛函數的實現機制上面為大家 一個清晰的剖析。

當然，相同的文章在網上也出現過一些了，但我總感覺這些文章不是很容易閱讀，大段大段的代碼，沒有圖片，沒有詳細的說明，沒有比較，沒有舉一反三。不利于學習和閱讀，所以這是我想寫下這篇文章的原因。也希望大家多給我提意見。

言歸正傳，讓我們一起進入虛函數的世界。

虛函數表

對C++ 了解的人都應該知道虛函數（Virtual Function）是通過一張虛函數表（Virtual Table）來實現的。簡稱為V-Table。 在這個表中，主是要一個類的虛函數的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問題，保證其容真實反應實際的函數。這樣，在有虛函數的類的實例中這個表被分配在了 這個實例的內存中，所以，當我們用父類的指針來操作一個子類的時候，這張虛函數表就顯得由為重要了，它就像一個地圖一樣，指明了實際所應該調用的函數。

這里我們著重看一下這張虛函數表。在C++的標準規格說明書中說到，編譯器必需要保證虛函數表的指針存在于對象實例中最前面的位置（這是為了保證正確取到虛函數的偏移量）。 這意味著我們通過對象實例的地址得到這張虛函數表，然后就可以遍歷其中函數指針，并調用相應的函數。

聽我扯了那么多，我可以感覺出來你現在可能比以前更加暈頭轉向了。 沒關系，下面就是實際的例子，相信聰明的你一看就明白了。

假設我們有這樣的一個類：

class Base {

public:

virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }

};

按照上面的說法，我們可以通過Base的實例來得到虛函數表。 下面是實際例程：

typedef void(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虛函數表地址：" << (int*)(&b) << endl;

cout << "虛函數表 — 第一個函數地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;

/*這里的一點爭議的個人看法*/

原文認為(int*)(&b)是虛表的地址，而很多網友都說，（包括我也認為）：(int *)*(int*)(&b)才是虛表地址

而(int*)*((int*)*(int*)(&b));才是虛表第一個虛函數的地址。

其實看后面的調用pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b)); 就可以看出，*((int*)*(int*)(&b));轉成函數指針給pFun，然后正確的調用到了虛函數virtual void f()。

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));

pFun();

實際運行經果如下：(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虛函數表地址：0012FED4

虛函數表 — 第一個函數地址：0044F148

Base::f

通過這個示例，我們可以看到，我們可以通過強行把&b轉成int *，取得虛函數表的地址，然后，再次取址就可以得到第一個虛函數的地址了，也就是Base::f()，這在上面的程序中得到了驗證（把int* 強制轉成了函數指針）。通過這個示例，我們就可以知道如果要調用Base::g()和Base::h()，其代碼如下：

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()

這個時候你應該懂了吧。什么？還是有點暈。也是，這樣的代碼看著太亂了。沒問題，讓我畫個圖解釋一下。如下所示：

注意：在上面這個圖中，我在虛函數表的最后多加了一個結點，這是虛函數表的結束結點，就像字符串的結束符“/0”一樣，其標志了虛函數表的結束。這個結束標志的值在不同的編譯器下是不同的。在WinXP+VS2003下，這個值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，這個值是如果1，表示還有下一個虛函數表，如果值是0，表示是最后一個虛函數表。

下面，我將分別說明“無覆蓋”和“有覆蓋”時的虛函數表的樣子。沒有覆蓋父類的虛函數是毫無意義的。我之所以要講述沒有覆蓋的情況，主要目的是為了給一個對比。在比較之下，我們可以更加清楚地知道其內部的具體實現。

一般繼承（無虛函數覆蓋）

下面，再讓我們來看看繼承時的虛函數表是什么樣的。假設有如下所示的一個繼承關系：

請注意，在這個繼承關系中，子類沒有重載任何父類的函數。那么，在派生類的實例中，其虛函數表如下所示：

對于實例：Derive d; 的虛函數表如下：

我們可以看到下面幾點：

1）虛函數按照其聲明順序放于表中。

2）父類的虛函數在子類的虛函數前面。

我相信聰明的你一定可以參考前面的那個程序，來編寫一段程序來驗證。

一般繼承（有虛函數覆蓋）

覆蓋父類的虛函數是很顯然的事情，不然，虛函數就變得毫無意義。下面，我們來看一下，如果子類中有虛函數重載了父類的虛函數，會是一個什么樣子？假設，我們有下面這樣的一個繼承關系。

為了讓大家看到被繼承過后的效果，在這個類的設計中，我只覆蓋了父類的一個函數：f()。那么，對于派生類的實例，其虛函數表會是下面的一個樣子：

我們從表中可以看到下面幾點，

1）覆蓋的f()函數被放到了虛表中原來父類虛函數的位置。

2）沒有被覆蓋的函數依舊。

這樣，我們就可以看到對于下面這樣的程序，

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的內存中的虛函數表的f()的位置已經被Derive::f()函數地址所取代，于是在實際調用發生時，是Derive::f()被調用了。這就實現了多態。

多重繼承（無虛函數覆蓋）

下面，再讓我們來看看多重繼承中的情況，假設有下面這樣一個類的繼承關系。注意：子類并沒有覆蓋父類的函數。

對于子類實例中的虛函數表，是下面這個樣子：

我們可以看到：

1） 每個父類都有自己的虛表。

2） 子類的成員函數被放到了第一個父類的表中。（所謂的第一個父類是按照聲明順序來判斷的）

這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個子類實例，而能夠調用到實際的函數。

多重繼承（有虛函數覆蓋）

下面我們再來看看，如果發生虛函數覆蓋的情況。

下圖中，我們在子類中覆蓋了父類的f()函數。

下面是對于子類實例中的虛函數表的圖：

我們可以看見，三個父類虛函數表中的f()的位置被替換成了子類的函數指針。這樣，我們就可以任一靜態類型的父類來指向子類，并調用子類的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

每次寫C++的文章，總免不了要批判一下C++。這篇文章也不例外。通過上面的講述，相信我們對虛函數表有一個比較細致的了解了。水可載舟，亦可覆舟。下面，讓我們來看看我們可以用虛函數表來干點什么壞事吧。

一、通過父類型的指針訪問子類自己的虛函數

我們知道，子類沒有重載父類的虛函數是一件毫無意義的事情。因為多態也是要基于函數重載的。雖然在上面的圖中我們可以看到Base1的虛表中有Derive的虛函數，但我們根本不可能使用下面的語句來調用子類的自有虛函數：

Base1 *b1 = new Derive();

b1->f1(); //編譯出錯

任何妄圖使用父類指針想調用子類中的 未覆蓋父類的成員函數 的行為都會被編譯器視為非法，所以，這樣的程序根本無法編譯通過。但在運行時，我們可以通過指針的方式訪問虛函數表來達到違反C++語義的行為。（關于這方面的嘗試，通過閱讀后面附錄的代碼，相信你可以做到這一點）

二、訪問non-public 的虛函數

另外，如果父類的虛函數是private或是protected的，但這些非public的虛函數同樣會存在于虛函數表中，所以，我們同樣可以使用訪問虛函數表的方式來訪問這些non-public的虛函數，這是很容易做到的。

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();

}

結束語

C++這門語言是一門Magic的語言，對于程序員來說，我們似乎永遠摸不清楚這門語言背著我們在干了什么。需要熟悉這門語言，我們就必需要了解C++里面的那些東西，需要去了解C++中那些危險的東西。不然，這是一種搬起石頭砸自己腳的編程語言。

源文檔 < http://blog.csdn.net/hairetz/archive/2009/04/29/4137000.aspx >

C++學習筆記(四)--虛函數表解析