c – 编译器如何知道vtable中的哪个条目对应于虚函数？

class Animal{
public:
 void fakeMethod1(){}
 virtual void getWeight(){}
 void fakeMethod2(){}
 virtual void getHeight(){}
 virtual void getType(){}
};

class Tiger:public Animal{
public:
 void fakeMethod3(){}
 virtual void getWeight(){}
 void fakeMethod4(){}
 virtual void getHeight(){}
 virtual void getType(){}
};
main(){
Animal a* = new Tiger();
a->getHeight(); // A  will Now point to the base address of vtable Tiger
//How will the compiler kNow which entry in the vtable corresponds to the function getHeight()?
}

我将稍微修改你的例子,以便它显示面向对象的更多有趣方面.

假设我们有以下内容：

#include <iostream>

struct Animal
{
  int age;
  Animal(int a) : age {a} {}
  virtual int setAge(int);
  virtual void sayHello() const;
};

int
Animal::setAge(int a)
{
  int prev = this->age;
  this->age = a;
  return prev;
}

void
Animal::sayHello() const
{
  std::cout << "Hello,I'm an " << this->age << " year old animal.\n";
}

struct Tiger : Animal
{
  int Stripes;
  Tiger(int a,int s) : Animal {a},Stripes {s} {}
  virtual void sayHello() const override;
  virtual void doTigerishThing();
};

void
Tiger::sayHello() const
{
  std::cout << "Hello,I'm a " << this->age << " year old tiger with "
            << this->Stripes << " Stripes.\n";
}

void
Tiger::doTigerishThing()
{
  this->Stripes += 1;
}


int
main()
{
  Tiger * tp = new Tiger {7,42};
  Animal * ap = tp;
  tp->sayHello();         // call overridden function via derived pointer
  tp->doTigerishThing();  // call child function via derived pointer
  tp->setAge(8);          // call parent function via derived pointer
  ap->sayHello();         // call overridden function via base pointer
}

我忽略了一个好的建议,即虚拟函数成员的类应该有一个虚拟析构函数用于此示例.无论如何我要泄漏物体.

让我们看看我们如何将这个例子转化为没有成员函数的好旧C,而不管虚拟成员.以下所有代码均为C,而不是C.

结构动物很简单：

struct animal
{
  const void * vptr;
  int age;
};

除了age成员之外,我们还添加了一个vptr,它将成为vtable的指针.我正在使用一个无效指针,因为无论如何我们都必须做丑陋的演员,而使用void *可以减少丑陋.

接下来,我们可以实现成员函数.

static int
animal_set_age(void * p,int a)
{
  struct animal * this = (struct animal *) p;
  int prev = this->age;
  this->age = a;
  return prev;
}

注意附加的第0个参数：在C中隐式传递的this指针.同样,我正在使用void *指针,因为它将在以后简化.请注意,在任何成员函数中,我们总是静态地知道this指针的类型,因此强制转换没有问题. (而在机器级别,它根本不会做任何事情.)

sayHello成员同样被定义,除了this指针这次是const限定的.

static void
animal_say_Hello(const void * p)
{
  const struct animal * this = (const struct animal *) p;
  printf("Hello,I'm an %d year old animal.\n",this->agE);
}

时间为动物vtable.首先,我们必须给它一个类型,这是直截了当的.

struct animal_vtable_type
{
  int (*setAgE)(void *,int);
  void (*sayHello)(const void *);
};

然后我们创建一个vtable的单个实例,并使用正确的成员函数进行设置.如果Animal有一个纯虚拟成员,相应的条目将具有NULL值,最好不要取消引用.

static const struct animal_vtable_type animal_vtable = {
  .setAge = animal_set_age,.sayHello = animal_say_Hello,};

请注意,animal_set_age和animal_say_Hello被声明为static.这是onkay,因为它们永远不会被引用,而只能通过vtable引用(而vtable只能通过vptr,所以它也可以是静态的).

我们现在可以实现Animal的构造函数了…

void
animal_ctor(void * p,int agE)
{
  struct animal * this = (struct animal *) p;
  this->vptr = &animal_vtable;
  this->age = age;
}

…和相应的运算符new：

void *
animal_new(int agE)
{
  void * p = malloc(sizeof(struct animal));
  if (p != NULL)
    animal_ctor(p,agE);
  return p;
}

关于唯一有趣的是在构造函数中设置vptr的行.

让我们继续老虎.

Tiger继承自Animal,因此它获得了一个struct tiger子对象.我是通过放置一个结构动物作为第一个成员来做到这一点的.至关重要的是,这是第一个成员,因为它意味着该对象的第一个成员 – vptr – 与我们的对象具有相同的地址.我们稍后会做一些棘手的演员时需要这个.

struct tiger
{
  struct animal base;
  int Stripes;
};

我们也可以在struct tiger的定义开头简单地复制struct animal的成员,但这可能更难维护.编译器不关心这样的风格问题.

我们已经知道如何实现老虎的成员函数.

void
tiger_say_Hello(const void * p)
{
  const struct tiger * this = (const struct tiger *) p;
  printf("Hello,I'm an %d year old tiger with %d Stripes.\n",this->base.age,this->Stripes);
}

void
tiger_do_tigerish_thing(void * p)
{
  struct tiger * this = (struct tiger *) p;
  this->Stripes += 1;
}

请注意,这次我们将此指针转换为struct tiger.如果调用了tiger函数,那么即使我们通过基指针调用,这个指针最好指向老虎.

vtable旁边：

struct tiger_vtable_type
{
  int (*setAgE)(void *,int);
  void (*sayHello)(const void *);
  void (*doTigerishThing)(void *);
};

请注意,前两个成员与animal_vtable_type完全相同.这是必不可少的,基本上是你问题的直接答案.如果我将struct_vtable_type作为第一个成员放置,那么它可能会更明确.我想强调的是,对象布局将完全相同,只是在这种情况下我们无法发挥我们讨厌的铸造技巧.同样,这些是C语言的各个方面,不存在于机器级别,因此编译器不会为此烦恼.

创建一个vtable实例：

static const struct tiger_vtable_type tiger_vtable = {
  .setAge = animal_set_age,.sayHello = tiger_say_Hello,.doTigerishThing = tiger_do_tigerish_thing,};

并实现构造函数：

void
tiger_ctor(void * p,int age,int Stripes)
{
  struct tiger * this = (struct tiger *) p;
  animal_ctor(this,agE);
  this->base.vptr = &tiger_vtable;
  this->Stripes = Stripes;
}

老虎构造函数做的第一件事是调用动物构造函数.还记得动物构造函数如何将vptr设置为& animal_vtable吗？这就是为什么从基类构造函数调用虚拟成员函数让人惊讶的原因.只有在基类构造函数运行之后,我们才将vptr重新分配给派生类型,然后进行自己的初始化.

operator new只是样板.

void *
tiger_new(int age,int Stripes)
{
  void * p = malloc(sizeof(struct tiger));
  if (p != NULL)
    tiger_ctor(p,age,Stripes);
  return p;
}

我们完成了.但是我们如何调用虚拟成员函数？为此,我将定义一个辅助宏.

#define INVOKE_VIRTUAL_ARGS(STYPE,THIS,FUNC,...)                     \
  (*((const struct STYPE ## _vtable_type * *) (THIS)))->FUNC( THIS,__VA_ARGS__ )

现在,这很难看.它的作用是采用静态类型STYPE,这个指针THIS和成员函数FUNC的名称以及传递给函数的任何其他参数.

然后,它从静态类型构造vtable的类型名称. (##是预处理程序的标记粘贴操作符.例如,如果STYPE是动物,则STYPE ## _vtable_type将扩展为animal_vtable_type.)

接下来,THIS指针被转换为指向刚刚派生的vtable类型的指针.这是有效的,因为我们已经确保将vptr作为每个对象中的第一个成员,因此它具有相同的地址.这很重要.

完成后,我们可以取消引用指针(获取实际的vptr),然后询问其FUNC成员并最终调用它. (__VA_ARGS__扩展为附加的可变参数宏参数.)注意,我们还将THIS指针作为第0个参数传递给成员函数.

现在,事实上我必须为不带参数的函数再次定义一个几乎相同的宏,因为预处理器不允许可变参数宏参数包为空.它应该是.

#define INVOKE_VIRTUAL(STYPE,FUNC)                               \
  (*((const struct STYPE ## _vtable_type * *) (THIS)))->FUNC( THIS )

它有效：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

/* Insert all the code from above here... */

int
main()
{
  struct tiger * tp = tiger_new(7,42);
  struct animal * ap = (struct animal *) tp;
  INVOKE_VIRTUAL(tiger,tp,sayHello);
  INVOKE_VIRTUAL(tiger,doTigerishThing);
  INVOKE_VIRTUAL_ARGS(tiger,setAge,8);
  INVOKE_VIRTUAL(animal,ap,sayHello);
  return 0;
}

你可能想知道发生了什么

INVOKE_VIRTUAL_ARGS(tiger,8);

呼叫.我们正在做的是在通过struct tiger指针引用的Tiger对象上调用Animal的未重写的setAge成员.该指针首先被隐式地转换为void指针,因此作为this指针传递给animal_set_age.该函数然后将其转换为结构动物指针.它是否正确？这是因为我们小心地将struct animal作为struct tiger中的第一个成员,因此struct tiger对象的地址与struct animal子对象的地址相同.这是与我们使用vptr一样的技巧(只有一个级别).