C++ COM編程之接口背后的虛函數(shù)表

2020-01-26 15:17:03

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供稿：網(wǎng)友

前言

學習C++的人，肯定都知道多態(tài)機制；多態(tài)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(shù)。對于多態(tài)機制是如何實現(xiàn)的，你有沒有想過呢？而COM中的接口就將這一機制運用到了極致，所以，不知道多態(tài)機制的人，是永運無法明白COM的。所以，在總結COM時，是非常有必要專門總結一下C++的多態(tài)機制是如何實現(xiàn)的。

多態(tài)

什么是多態(tài)？上面也說了，多態(tài)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(shù)。現(xiàn)在通過代碼，讓大家切身的體會一下多態(tài)：

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>
using namespace std;
 
class A
{
public:
    void Print()
    {
        cout<<"I am A."<<endl;
    }
};
 
class B : public A
{
public:
    void Print()
    {
        cout<<"I am B."<<endl;
    }
};
 
int main()
{
    A *pAObj = new B();
    pAObj->Print();
}

上面代碼的運行結果是：I am A.這不是多態(tài)的行為。

好了，經(jīng)過對上面代碼的改造，就在A類的Print函數(shù)前面加入關鍵字virtual，具體代碼如下：

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>
using namespace std;
 
class A
{
public:
    virtual void Print()
    {
        cout<<"I am A."<<endl;
    }
};
 
class B : public A
{
public:
    void Print()
    {
        cout<<"I am B."<<endl;
    }
};
 
int main()
{
    A *pAObj = new B();
    pAObj->Print();
}

此時，代碼的運行結果為：I am B.這個時候就表現(xiàn)出來了多態(tài)行為。好了，多了我也不說了，就通過這個簡單的例子，你就能體會到多態(tài)的概念了。從下面才開始今天的主題。

虛函數(shù)表

多態(tài)機制的關鍵就是在于虛函數(shù)表，也就是vtbl。當我們定義一個類，類中包含虛函數(shù)時，其實也就定義了一張?zhí)摵瘮?shù)表，沒有虛函數(shù)的類是不包含虛函數(shù)表的，只有該類被實例化時，才會將這個表分配到這個實例的內存中；在這張?zhí)摵瘮?shù)表中，存放了每個虛函數(shù)的地址；它就像一個地圖一樣，指明了實際所應該調用的函數(shù)。比如我定義一個類，如下：

復制代碼代碼如下:

class CIF
{
public:
     CIF(){}
     CIF(int i, int f) : m_iVar(i), m_fVar(f){}
     virtual void IF1() { cout<<"I'm IF1"<<endl; }
     virtual void IF2() { cout<<"I'm IF2"<<endl; }
     virtual void IF3() { cout<<"I'm IF3"<<endl; }
     void MemFunc(){ cout<<"I'm IF4"<<endl; }
private:
     int m_iVar;
     float m_fVar;
};

這樣的一個類，當你去定義這個類的實例時，編譯器會給這個類分配一個成員變量，該變量指向這個虛函數(shù)表，這個虛函數(shù)表中的每一項都會記錄對應的虛函數(shù)的地址；如下圖：

這個類的變量還沒有被初始化時，就像上圖那樣，變量的值都是隨機值，而指向虛擬函數(shù)表的指針__vfptr中對應的虛函數(shù)地址也是錯誤的地址；只有等我們真正的完成了這個變量的聲明和初始化時，這些值才能被正確的初始化，如下圖：

從上圖中就可以看到，初始化完成以后，指向虛函數(shù)表的__vfptr指針中的元素都被賦予了正確的虛函數(shù)值，分別指向了在類中定義的三個虛函數(shù)。也看到了，__vfptr指針定義的位置也比m_iVar和m_fVar變量的位置靠前；在C++編譯器中，它保證虛函數(shù)表的指針存在于對象實例中最前面的位置，這主要是為了在多層繼承或是多重繼承的情況下，能以高性能取到這張?zhí)摵瘮?shù)表，然后進行遍歷，查找對應的虛函數(shù)指針，進行對應的調用。

我們都知道，虛函數(shù)是用來支持C++中的多態(tài)的，而單獨的一個類，有了虛函數(shù)，而沒有任何繼承關系，也就是說沒有子類去覆蓋父類的虛函數(shù)，這樣是毫無意義的。所以下面就要從各個方面進行詳細的說明虛函數(shù)表。

沒有實現(xiàn)多態(tài)的單繼承

比如有如下的繼承關系：

在這個繼承關系中，CIF2作為CIF1的子類，但是CIF2沒有重寫CIF1類的任何虛函數(shù)；定義CIF2 if2Obj;實例，在派生類的實例中，它的虛函數(shù)表應該是像下面這樣的：

復制代碼代碼如下:

[0]     0x011513c5 {InterfaceDemo2.exe!CIF1::IF1(void)}     void * 
[1]     0x011512cb {InterfaceDemo2.exe!CIF1::IF2(void)}     void * 
[2]     0x01151343 {InterfaceDemo2.exe!CIF1::IF3(void)}     void * 
[3]     0x01151249 {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF4(void)}     void * 
[4]     0x01151433 {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF5(void)}     void * 
[5]     0x01151267 {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF6(void)}     void * 
[6]     0x00000000     void *

可以發(fā)現(xiàn)，虛函數(shù)按照其聲明順序存放在表中，父類的虛函數(shù)在子類的虛函數(shù)前面。

實現(xiàn)多態(tài)的單繼承

現(xiàn)在我在CIF2類中，重寫CIF1類的IF1函數(shù)，它們的關系如下：

在上圖中，CIF2繼承了CIF1，并且在CIF2類中重寫了CIF1的虛函數(shù)IF1，那我們現(xiàn)在看看虛函數(shù)表是什么樣子的？

復制代碼代碼如下:

[0]     0x00b61311 {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF1(void)}     void * 
[1]     0x00b612c6 {InterfaceDemo2.exe!CIF1::IF2(void)}     void * 
[2]     0x00b61343 {InterfaceDemo2.exe!CIF1::IF3(void)}     void * 
[3]     0x00b61249 {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF4(void)}     void * 
[4]     0x00b61433 {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF5(void)}     void *
[5]     0x00000000     void *

你發(fā)現(xiàn)了什么？虛函數(shù)表中的第一項是CIF2::IF1，而不是CIF1::IF1，這說明了當在子類中重寫父類的虛函數(shù)時，新的函數(shù)的地址覆蓋了父類的虛函數(shù)地址，這樣就能在多態(tài)時能正確的找到需要被調用的函數(shù)；而沒有被覆蓋的函數(shù)還是那樣的順序在虛函數(shù)表中存儲著。

沒有實現(xiàn)多態(tài)的多繼承

對于簡單的，沒有實現(xiàn)多態(tài)的多繼承，比如，有下面的一個多繼承關系：

在子類中沒有重寫任何父類的虛函數(shù)，那么它的虛函數(shù)表應該是什么樣子呢？

虛函數(shù)表CIF1，如下：

復制代碼代碼如下:

[0]     0x001e13d9 {InterfaceDemo2.exe!CIF1::IF1(void)}     void * 
[1]     0x001e12df {InterfaceDemo2.exe!CIF1::IF2(void)}     void * 
[2]     0x001e1357 {InterfaceDemo2.exe!CIF1::IF3(void)}     void * 
[3]     0x001e10c8 {InterfaceDemo2.exe!CIF3::IF4(void)}     void * 
[4]     0x001e1041 {InterfaceDemo2.exe!CIF3::IF5(void)}     void * 
[5]     0x001e1249 {InterfaceDemo2.exe!CIF3::IF6(void)}     void * 
[6]     0x00000000     void *

虛函數(shù)表CIF2，如下：

復制代碼代碼如下:

[0]     0x001e1258 {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF7(void)}     void * 
[1]     0x001e1447 {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF8(void)}     void * 
[2]     0x001e127b {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF9(void)}     void * 
[3]     0x00000000     void *

從上面的虛函數(shù)表，我們可以分析出來，每個父類都有自己的虛函數(shù)表，子類的虛函數(shù)被放到了第一個父類的表中。第一個父類是按照聲明順序來判斷的。

實現(xiàn)多態(tài)的多繼承

上面說的是沒有發(fā)生重寫的情況，現(xiàn)在來說說發(fā)生重寫的情況；比如，現(xiàn)在有以下情況：

在子類中重寫了父類的虛函數(shù)，那它的虛函數(shù)表又是什么樣子呢？

虛函數(shù)表CIF1，如下：

復制代碼代碼如下:

[0]     0x012013cf {InterfaceDemo2.exe!CIF3::IF1(void)}     void * 
[1]     0x012012d5 {InterfaceDemo2.exe!CIF1::IF2(void)}     void * 
[2]     0x0120134d {InterfaceDemo2.exe!CIF1::IF3(void)}     void * 
[3]     0x01201456 {InterfaceDemo2.exe!CIF3::IF4(void)}     void * 
[4]     0x012014d8 {InterfaceDemo2.exe!CIF3::IF5(void)}     void * 
[5]     0x00000000     void *

虛函數(shù)表CIF2，如下：

復制代碼代碼如下:

[0]     0x012014e2 {InterfaceDemo2.exe![thunk]:CIF3::IF1`adjustor{4}' (void)}     void * 
[1]     0x012014ce {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF2(void)}     void * 
[2]     0x012014d3 {InterfaceDemo2.exe!CIF2::IF3(void)}     void * 
[3]     0x00000000     void *

從上面的虛函數(shù)表中，我們可以看到虛函數(shù)表中的CIF1::IF1(void)全都被替換成了CIF3::IF1(void)，那么我們就可以以任意的父類指針來調用IF1(void)，實際上調用的是CIF3::IF1(void)，這就實現(xiàn)了所謂的多態(tài)。

總結

總結了這么多關于虛函數(shù)表的內容，感覺很扯，和接口沒有多大的關系；但是，這一切都是COM的基礎，COM的背后，就是接口，而接口的背后，就是我這里總結的，說白了，完全了解了這里，對于理解COM的接口是有非常大的用處的。希望我的總結對大家有用。

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