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# 深入浅出C++虚函数的vptr与vtable
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## 关于作者：
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个人公众号：
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## 1.基础理论
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为了实现虚函数，C ++使用一种称为虚拟表的特殊形式的后期绑定。该虚拟表是用于解决在动态/后期绑定方式的函数调用函数的查找表。虚拟表有时会使用其他名称，例如“vtable”，“虚函数表”，“虚方法表”或“调度表”。
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虚拟表实际上非常简单，虽然用文字描述有点复杂。首先，**每个使用虚函数的类（或者从使用虚函数的类派生）都有自己的虚拟表**。该表只是编译器在编译时设置的静态数组。虚拟表包含可由类的对象调用的每个虚函数的一个条目。此表中的每个条目只是一个函数指针，指向该类可访问的派生函数。
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其次，编译器还会添加一个隐藏指向基类的指针，我们称之为vptr。vptr在创建类实例时自动设置，以便指向该类的虚拟表。与this指针不同，this指针实际上是编译器用来解析自引用的函数参数，vptr是一个真正的指针。
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因此，它使每个类对象的分配大一个指针的大小。这也意味着vptr由派生类继承，这很重要。
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## 2.实现与内部结构
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下面我们来看自动与手动操纵vptr来获取地址与调用虚函数！
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开始看代码之前，为了方便大家理解，这里给出调用图：
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代码全部遵循标准的注释风格，相信大家看了就会明白，不明白的话，可以留言！
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```c++
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/**
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* @file vptr1.cpp
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* @brief C++虚函数vptr和vtable
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* 编译：g++ -g -o vptr vptr1.cpp -std=c++11
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* @author 光城
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* @version v1
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* @date 2019-07-20
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*/
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#include <iostream>
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#include <stdio.h>
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using namespace std;
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/**
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* @brief 函数指针
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*/
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typedef void (*Fun)();
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/**
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* @brief 基类
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*/
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class Base
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{
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public:
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Base(){};
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virtual void fun1()
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{
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cout << "Base::fun1()" << endl;
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}
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virtual void fun2()
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{
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cout << "Base::fun2()" << endl;
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}
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virtual void fun3(){}
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~Base(){};
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};
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/**
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* @brief 派生类
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*/
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class Derived: public Base
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{
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public:
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Derived(){};
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void fun1()
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{
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cout << "Derived::fun1()" << endl;
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}
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void fun2()
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{
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cout << "DerivedClass::fun2()" << endl;
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}
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~Derived(){};
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};
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/**
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* @brief 获取vptr地址与func地址,vptr指向的是一块内存，这块内存存放的是虚函数地址，这块内存就是我们所说的虚表
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*
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* @param obj
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* @param offset
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*
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* @return
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*/
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Fun getAddr(void* obj,unsigned int offset)
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{
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cout<<"======================="<<endl;
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void* vptr_addr = (void *)*(unsigned long *)obj; //64位操作系统，占8字节，通过*(unsigned long *)obj取出前8字节，即vptr指针
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printf("vptr_addr:%p\n",vptr_addr);
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/**
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* @brief 通过vptr指针访问virtual table，因为虚表中每个元素(虚函数指针)在64位编译器下是8个字节，因此通过*(unsigned long *)vptr_addr取出前8字节，
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* 后面加上偏移量就是每个函数的地址！
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*/
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void* func_addr = (void *)*((unsigned long *)vptr_addr+offset);
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printf("func_addr:%p\n",func_addr);
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return (Fun)func_addr;
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}
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int main(void)
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{
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Base ptr;
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Derived d;
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Base *pt = new Derived(); // 基类指针指向派生类实例
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Base &pp = ptr; // 基类引用指向基类实例
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Base &p = d; // 基类引用指向派生类实例
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cout<<"基类对象直接调用"<<endl;
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ptr.fun1();
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cout<<"基类引用指向派生类实例"<<endl;
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pp.fun1();
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cout<<"基类指针指向派生类实例并调用虚函数"<<endl;
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pt->fun1();
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cout<<"基类引用指向基类实例并调用虚函数"<<endl;
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p.fun1();
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// 手动查找vptr 和 vtable
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Fun f1 = getAddr(pt, 0);
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(*f1)();
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Fun f2 = getAddr(pt, 1);
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(*f2)();
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delete pt;
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return 0;
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}
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```
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运行结果：
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```
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基类对象直接调用
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Base::fun1()
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基类引用指向派生类实例
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Base::fun1()
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基类指针指向派生类实例并调用虚函数
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Derived::fun1()
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基类引用指向基类实例并调用虚函数
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Derived::fun1()
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=======================
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vptr_addr:0x401130
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func_addr:0x400ea8
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Derived::fun1()
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=======================
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vptr_addr:0x401130
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func_addr:0x400ed4
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DerivedClass::fun2()
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```
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我们发现C++的动态多态性是通过虚函数来实现的。简单的说，通过virtual函数，指向子类的基类指针可以调用子类的函数。例如，上述通过基类指针指向派生类实例，并调用虚函数，将上述代码简化为：
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```c++
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Base *pt = new Derived(); // 基类指针指向派生类实例
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cout<<"基类指针指向派生类实例并调用虚函数"<<endl;
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pt->fun1();
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```
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其过程为：首先程序识别出fun1()是个虚函数，其次程序使用pt->vptr来获取Derived的虚拟表。第三，它查找Derived虚拟表中调用哪个版本的fun1()。这里就可以发现调用的是Derived::fun1()。因此pt->fun1()被解析为Derived::fun1()!
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除此之外，上述代码大家会看到，也包含了手动获取vptr地址，并调用vtable中的函数，那么我们一起来验证一下上述的地址与真正在自动调用vtable中的虚函数，比如上述`pt->fun1()`的时候，是否一致！
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这里采用gdb调试，在编译的时候记得加上`-g`。
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通过`gdb vptr`进入gdb调试页面，然后输入`b Derived::fun1`对fun1打断点，然后通过输入r运行程序到断点处，此时我们需要查看调用栈中的内存地址，通过`disassemable fun1`可以查看当前有关fun1中的相关汇编代码，我们看到了`0x0000000000400ea8`，然后再对比上述的结果会发现与手动调用的fun1一致，fun2类似，以此证明代码正确!
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gdb调试信息如下：
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```c++
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(gdb) b Derived::fun1
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Breakpoint 1 at 0x400eb4: file vptr1.cpp, line 23.
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(gdb) r
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Starting program: /home/light/Program/CPlusPlusThings/virtual/pure_virtualAndabstract_class/vptr
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基类对象直接调用
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Base::fun1()
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基类引用指向派生类实例
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Base::fun1()
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基类指针指向派生类实例并调用虚函数
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Breakpoint 1, Derived::fun1 (this=0x614c20) at vptr1.cpp:23
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23 cout << "Derived::fun1()" << endl;
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(gdb) disassemble fun1
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Dump of assembler code for function Derived::fun1():
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0x0000000000400ea8 <+0>: push %rbp
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0x0000000000400ea9 <+1>: mov %rsp,%rbp
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0x0000000000400eac <+4>: sub $0x10,%rsp
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0x0000000000400eb0 <+8>: mov %rdi,-0x8(%rbp)
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=> 0x0000000000400eb4 <+12>: mov $0x401013,%esi
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0x0000000000400eb9 <+17>: mov $0x602100,%edi
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0x0000000000400ebe <+22>: callq 0x4009d0 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
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0x0000000000400ec3 <+27>: mov $0x400a00,%esi
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0x0000000000400ec8 <+32>: mov %rax,%rdi
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0x0000000000400ecb <+35>: callq 0x4009f0 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>
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0x0000000000400ed0 <+40>: nop
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||
0x0000000000400ed1 <+41>: leaveq
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0x0000000000400ed2 <+42>: retq
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End of assembler dump.
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(gdb) disassemble fun2
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Dump of assembler code for function Derived::fun2():
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0x0000000000400ed4 <+0>: push %rbp
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0x0000000000400ed5 <+1>: mov %rsp,%rbp
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0x0000000000400ed8 <+4>: sub $0x10,%rsp
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0x0000000000400edc <+8>: mov %rdi,-0x8(%rbp)
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0x0000000000400ee0 <+12>: mov $0x401023,%esi
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0x0000000000400ee5 <+17>: mov $0x602100,%edi
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0x0000000000400eea <+22>: callq 0x4009d0 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
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0x0000000000400eef <+27>: mov $0x400a00,%esi
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0x0000000000400ef4 <+32>: mov %rax,%rdi
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0x0000000000400ef7 <+35>: callq 0x4009f0 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>
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0x0000000000400efc <+40>: nop
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0x0000000000400efd <+41>: leaveq
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0x0000000000400efe <+42>: retq
|
||
End of assembler dump.
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```
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