C++ COM編程之接口背后的虛函數(shù)表
前言
學(xué)習(xí)C++的人，肯定都知道多態(tài)機(jī)制；多態(tài)就是用父類型別的指針指向其子類的實(shí)例，然后通過(guò)父類的指針調(diào)用實(shí)際子類的成員函數(shù)。對(duì)于多態(tài)機(jī)制是如何實(shí)現(xiàn)的，你有沒(méi)有想過(guò)呢？而COM中的接口就將這一機(jī)制運(yùn)用到了極致，所以，不知道多態(tài)機(jī)制的人，是永運(yùn)無(wú)法明白COM的。所以，在總結(jié)COM時(shí)，是非常有必要專門總結(jié)一下C++的多態(tài)機(jī)制是如何實(shí)現(xiàn)的。
多態(tài)
什么是多態(tài)？上面也說(shuō)了，多態(tài)就是用父類型別的指針指向其子類的實(shí)例，然后通過(guò)父類的指針調(diào)用實(shí)際子類的成員函數(shù)?，F(xiàn)在通過(guò)代碼，讓大家切身的體會(huì)一下多態(tài)：
#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(yùn)行結(jié)果是：I am A.這不是多態(tài)的行為。
好了，經(jīng)過(guò)對(duì)上面代碼的改造，就在A類的Print函數(shù)前面加入關(guān)鍵字virtual，具體代碼如下：
#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(shí)，代碼的運(yùn)行結(jié)果為：I am B.這個(gè)時(shí)候就表現(xiàn)出來(lái)了多態(tài)行為。好了，多了我也不說(shuō)了，就通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的例子，你就能體會(huì)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(jī)制的關(guān)鍵就是在于虛函數(shù)表，也就是vtbl。當(dāng)我們定義一個(gè)類，類中包含虛函數(shù)時(shí)，其實(shí)也就定義了一張?zhí)摵瘮?shù)表，沒(méi)有虛函數(shù)的類是不包含虛函數(shù)表的，只有該類被實(shí)例化時(shí)，才會(huì)將這個(gè)表分配到這個(gè)實(shí)例的內(nèi)存中；在這張?zhí)摵瘮?shù)表中，存放了每個(gè)虛函數(shù)的地址；它就像一個(gè)地圖一樣，指明了實(shí)際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。比如我定義一個(gè)類，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(gè)類，當(dāng)你去定義這個(gè)類的實(shí)例時(shí)，編譯器會(huì)給這個(gè)類分配一個(gè)成員變量，該變量指向這個(gè)虛函數(shù)表，這個(gè)虛函數(shù)表中的每一項(xiàng)都會(huì)記錄對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)的地址；如下圖：
這個(gè)類的變量還沒(méi)有被初始化時(shí)，就像上圖那樣，變量的值都是隨機(jī)值，而指向虛擬函數(shù)表的指針__vfptr中對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)地址也是錯(cuò)誤的地址；只有等我們真正的完成了這個(gè)變量的聲明和初始化時(shí)，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(gè)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(duì)象實(shí)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(jìn)行遍歷，查找對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)指針，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的調(diào)用。
我們都知道，虛函數(shù)是用來(lái)支持C++中的多態(tài)的，而單獨(dú)的一個(gè)類，有了虛函數(shù)，而沒(méi)有任何繼承關(guān)系，也就是說(shuō)沒(méi)有子類去覆蓋父類的虛函數(shù)，這樣是毫無(wú)意義的。所以下面就要從各個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明虛函數(shù)表。
沒(méi)有實(shí)現(xiàn)多態(tài)的單繼承
比如有如下的繼承關(guān)系：
在這個(gè)繼承關(guān)系中，CIF2作為CIF1的子類，但是CIF2沒(méi)有重寫CIF1類的任何虛函數(shù)；定義CIF2 if2Obj;實(shí)例，在派生類的實(shí)例中，它的虛函數(shù)表應(yīng)該是像下面這樣的：
[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(shí)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(guān)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？
[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(xiàng)是CIF2::IF1，而不是CIF1::IF1，這說(shuō)明了當(dāng)在子類中重寫父類的虛函數(shù)時(shí)，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(shí)能正確的找到需要被調(diào)用的函數(shù)；而沒(méi)有被覆蓋的函數(shù)還是那樣的順序在虛函數(shù)表中存儲(chǔ)著。
沒(méi)有實(shí)現(xiàn)多態(tài)的多繼承
對(duì)于簡(jiǎn)單的，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)多態(tài)的多繼承，比如，有下面的一個(gè)多繼承關(guān)系：
在子類中沒(méi)有重寫任何父類的虛函數(shù)，那么它的虛函數(shù)表應(yīng)該是什么樣子呢？
虛函數(shù)表CIF1，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：
[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(lái)，每個(gè)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(gè)父類的表中。第一個(gè)父類是按照聲明順序來(lái)判斷的。
實(shí)現(xiàn)多態(tài)的多繼承
上面說(shuō)的是沒(méi)有發(fā)生重寫的情況，現(xiàn)在來(lái)說(shuō)說(shuō)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：
[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：
[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(lái)調(diào)用IF1(void)，實(shí)際上調(diào)用的是CIF3::IF1(void)，這就實(shí)現(xiàn)了所謂的多態(tài)。
總結(jié)
總結(jié)了這么多關(guān)于虛函數(shù)表的內(nèi)容，感覺(jué)很扯，和接口沒(méi)有多大的關(guān)系；但是，這一切都是COM的基礎(chǔ)，COM的背后，就是接口，而接口的背后，就是我這里總結(jié)的，說(shuō)白了，完全了解了這里，對(duì)于理解COM的接口是有非常大的用處的。希望我的總結(jié)對(duì)大家有用。
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