对原文的内容加了一些自己的理解，测试编译环境为win10+vs2015

前言

C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，简而言之就是用父类型的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如：模板技术，RTTI技术(Run-Time Type Identification)，虚函数技术，要么是试图做到在编译时决议，要么试图做到运行时决议。

虚函数表

对C++ 了解的人都应该知道虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表（Virtual Table）来实现的。简称为V-Table。在这个表中，主要是一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其内容真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中，所以，当我们用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得尤为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。

这里我们着重看一下这张虚函数表。C++的编译器应该是保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能——如果有多层继承或是多重继承的情况下）。这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。

假设我们有这样的一个类：

class Base {
 
     public:
 
            virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
 
            virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
 
            virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
 
 
};

按照上面的说法，我们可以通过Base的实例来得到虚函数表。下面是实际例程：

typedef void(*Fun)(void);
 
Base b;
 
Fun pFun = NULL;
 
cout << "虚函数表地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
 
cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)*(int*)(&b) << endl;
 
 
// Invoke(调用) the first virtual function 
 
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
 
pFun();

实际运行经果如下：（windows10+vs2015）

调试结果如下：

对比发现虚函数表的地址和虚函数表中第一个函数的地址是相同的。

通过这个示例，我们可以看到，我们可以通过强行把&b转成int *，取得虚函数表地址的地址，然后，取址就可以得到虚函数表的地址了，再次取址就可以得到第一个虚函数也就是Base::f()的地址了，这在上面的程序中得到了验证（把int* 强制转成了函数指针）。通过这个示例，我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()，其代码如下

  (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0);  // Base::f()
 
  (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1);  // Base::g()
 
  (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2);  // Base::h()

这个时候你应该懂了吧。什么？还是有点晕。也是，这样的代码看着太乱了。没问题，让我画个图解释一下。如下所示：

注意：在上面这个图中，我在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符'\0'一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下，这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，这个值如果是1，表示还有下一个虚函数表，如果值是0，表示是最后一个虚函数表（这一部分是原作者测试的结果）。

一般继承（无虚函数覆盖）

下面，再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系：

请注意，在这个继承关系中，子类没有重载任何父类的函数。那么，在派生类的实例中，其虚函数表如下所示：

对于实例：Derive d; 的虚函数表如下：

我们可以看到下面几点：

1）虚函数按照其声明顺序放于表中。

2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。

一个具体的实例:

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {

public:

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

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

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

class Derive : public Base 
{
public:
	virtual void f1() { cout << "Derive::f1" << endl; }

	virtual void g1() { cout << "Derive::g1" << endl; }

	virtual void h1() { cout << "Derive::h1" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);

int main()
{
	Base b;
	Derive d;


	system("pause");
	return 0;
}

断点查看父类和子类的虚函数表地址如下：

调试状态下子类的虚函数表中只能看到包含父类的虚函数表，且地址相同。

一般继承（有虚函数覆盖）

覆盖父类的虚函数是很显然的事情，不然，虚函数就变得毫无意义。下面，我们来看一下，如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数，会是一个什么样子？假设，我们有下面这样的一个继承关系。

为了让大家看到被继承过后的效果，在这个类的设计中，我只覆盖了父类的一个函数：f()。那么，对于派生类的实例，其虚函数表会是下面的一个样子：

我们从表中可以看到下面几点，

1）覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

2）没有被覆盖的函数依旧。

这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，

    Base *b = new Derive();
 
    b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

多继承（无虚函数覆盖）

下面，再让我们来看看多继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类并没有覆盖父类的函数。

对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

我们可以看到：

1） 每个父类都有自己的虚表。

2） 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）

这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。

多继承（有虚函数覆盖）

下面我们再来看看，如果发生虚函数覆盖的情况。

下图中，我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的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

一、通过父类型的指针访问子类自己的虚函数

我们知道，子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数，但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数：

 Base1 *b1 = new Derive();
 
 b1->f1();  //编译出错

任何妄图使用父类指针想调用子类中的未覆盖父类的成员函数的行为都会被编译器视为非法，所以，这样的程序根本无法编译通过。但在运行时，我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。（关于这方面的尝试，通过阅读后面附录的代码，相信你可以做到这一点）

二、访问non-public的虚函数

另外，如果父类的虚函数是private或是protected的，但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中，所以，我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数，这是很容易做到的。

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();
 
}

附录

如想查看虚函数完整表，可按以下步骤：VS2015为例

打开上图的“VS2015开发人员命令提示”

使用cl命令的"/d1 reportAllClassLayout或reportSingleClassLayoutXXX"选项。这里的reportAllClassLayout选项会打印大量相关类的信息，一般用处不大。而reportSingleClassLayoutXXX选项的XXX代表要编译的代码中类的名字（这里XXX类），打印XXX类的内存布局和虚函数表（如果代码中没有对应的类，则选项无效）。

我的源文件为test.cpp，所以输入：

cl /d1 reportSingleClassLayoutDerive test.cpp

输出如下（该里对应）：

对应的实例如下：

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {

public:

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

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

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

class Derive : public Base 
{
public:
	virtual void f() { cout << "Derive::f1" << endl; }  //重载了父类的函数

	virtual void g1() { cout << "Derive::g1" << endl; }

	virtual void h1() { cout << "Derive::h1" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	b.f();
	d.f();

	Base* b1 = new Derive;
	b1->f();

	system("pause");
	return 0;
}

可看出用到了thunk技术（thunk技术即是：虚函数表中的slot仍然继续放一个虚函数实体地址，但是如果调用这个虚函数需要进行this调整的话,该slot中的地址就指向一个thunk而不是一个虚函数实体的地址。）

个人总结

1）一个类只有包含虚函数才会存在虚函数表，同属于一个类的对象共享虚函数表，但是有各自的vptr（虚函数表指针），当然所指向的地址（虚函数表首地址）相同。

2）父类中有虚函数就等于子类中有虚函数。换句话来说，父类中有虚函数表，则子类中肯定有虚函数表。因为你是继承父类的。也有人认为，如果子类中把父类的虚函数的virtual去掉，是不是这些函数就不再是虚函数了？只要在父类中是虚函数，那么子类中即便不写virtual，也依旧是虚函数。但不管是父类还是子类，都只会有一个虚函数表，不能认为子类中有一个虚函数表+父类中有一个虚函数表，得到一个结论：子类中有两个虚函数表。子类中是否可能会有多个虚函数表呢？后续我们讲解这个事；

3）如果子类中完全没有新的虚函数，则我们可以认为子类的虚函数表和父类的虚函数表内容相同。但，仅仅是内容相同，这两个虚函数表在内存中处于不同位置，换句话来说，这是内容相同的两张表。虚函数表中每一项，保存着一个虚函数的首地址，但如果子类的虚函数表某项和父类的虚函数表某项代表同一个函数（这表示子类没有覆盖父类的虚函数），则该表项所执行的该函数的地址应该相同。

4）超出虚函数表部分内容不可知；

总结：虚函数表是跟着类走的，虚函数表指针是跟着具体对象走的

C++——虚函数表

前言