ATL炒冷飯學習之二：繞不開的虛函數
一、前言
對于C++的程式員，多态機制是再熟悉不過的了；多态就是用父類型别的指針指向其子類的執行個體，然後通過父類的指針調用實際子類的成員函數。對于多态機制是如何實作的原理，想必對于一個c++程式員來說是小菜一碟。對于即将學習COM技術的人，将會明白com接口有将這一機制運用到了極緻，是以，多态技術也是學習COM技術的前提和基礎，不知道多态機制的人，是永運無法學習明白COM的。是以，在開始學習COM時，是非常有必要專門複習一下C++的多态機制是如何實作的。
二、多态
從概念上說，多态就是用父類型别的指針指向其子類的執行個體，然後通過父類的指針調用實際子類的成員函數。通過下面的代碼先體會一下多态：
#include <iostream>
using namespace std;
class AClass
{
public:
void PrintMessage()
{
cout<<"this i s AClass"<<endl;
}
};
class BClass : public AClass
{
public:
void PrintMessage()
{
cout<<"this i s BClass"<<endl;
}
};
int main()
{
AClass *pAClassObj = new BClass();
pAClassObj ->PrintMessage();
}
有興趣的讀者可以編譯運作上面的代碼，運作結果是：this i s AClass！，明顯這不是多态的行為。
假如我們對AClass類的PrintMessage函數前面加入關鍵字virtual，具體代碼如下：
#include <iostream>
using namespace std;
class AClass
{
public:
virtual void PrintMessage()
{
cout<<"this i s AClass"<<endl;
}
};
class BClass : public AClass
{
public:
void PrintMessage()
{
cout<<"this i s BClass"<<endl;
}
};
int main()
{
AClass *pAClassObj = new BClass();
pAClassObj ->PrintMessage();
}
再次編譯執行此代碼。此時，代碼的運作結果為：this i s BClass！這個時候就表現出來了多态行為。通過這個簡單的例子，你應該體會到多态的概念了。
三、虛函數表
多态機制的關鍵就是在于虛函數表，也就是vtbl。當定義一個類并且類中包含虛函數時，其實也就定義了一張虛函數表，沒有虛函數的類是不包含虛函數表的，隻有該類被執行個體化時，才會将這個表配置設定到這個執行個體的記憶體中；在這張虛函數表中，存放了每個虛函數的位址；它就像一個地圖一樣，指明了實際所應該調用的函數。如下面定義一個類：
class CVirtualBase
{
public:
CVirtualBase(){}
CVirtualBase(int i, int f) : m_intVar(i), m_floatVar(f){}
virtual void virtualBaseMethod1() { cout<<"this is virtualBaseMethod1!"<<endl; }
virtual void virtualBaseMethod2() { cout<<"this is virtualBaseMethod2!"<<endl; }
virtual void virtualBaseMethod3() { cout<<"this is virtualBaseMethod3!"<<endl; }
void baseMethod4() { cout<<"this is baseMethod4!"<<endl; }
private:
int m_intVar;
float m_floatVar;
};
這樣的一個類，當你去定義這個類的執行個體時，編譯器會給這個類配置設定一個成員變量，該變量指向這個虛函數表，這個虛函數表中的每一項都會記錄對應的虛函數的位址；如下圖：
這個類的變量還沒有被初始化時，就像上圖那樣，變量的值都是随機值，而指向虛拟函數表的指針__vfptr中對應的虛函數位址也是錯誤的位址；隻有等我們真正的完成了這個變量的聲明和初始化時，這些值才能被正确的初始化，如下圖：
從上圖中就可以看到，初始化完成以後，指向虛函數表的__vfptr指針中的元素都被賦予了正确的虛函數值，分别指向了在類中定義的三個虛函數。也看到了，__vfptr指針定義的位置也比m_intVar和m_floatVar變量的位置靠前；在C++編譯器中，它保證虛函數表的指針存在于對象執行個體中最前面的位置，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虛函數表，然後進行周遊，查找對應的虛函數指針，進行對應的調用。
基類定義了虛函數，子類可以重寫該函數，當子類重新定義了父類的虛函數後，父類指針根據賦給它的不同的子類指針，動态地調用屬于子類的該函數，且這樣的函數調用是無法在編譯器期間确認的，而是在運作期确認，也叫做遲綁定。
下面先看看虛函數實作的模型：
結合上面中模型的特點，并對記憶體存取和空間進行了優化。在此模型中，non static 資料成員被放置到對象内部，static資料成員， static and nonstatic 函數成員均被放到對象之外。對于虛函數的支援則分兩步完成：
1.每一個class産生一堆指向虛函數的指針，放在表格之中。這個表格稱之為虛函數表（virtual table，vtbl）。
2.每一個對象被添加了一個指針，指向相關的虛函數表vtbl。通常這個指針被稱為vptr。vptr的設定（setting）和重置（resetting）都由每一個class的構造函數，析構函數和拷貝指派運算符自動完成。
另外，虛函數表位址的前面設定了一個指向type_info的指針，RTTI（Run Time Type Identification）運作時類型識别是有編譯器在編譯器生成的特殊類型資訊，包括對象繼承關系，對象本身的描述，RTTI是為多态而生成的資訊，是以隻有具有虛函數的對象在會生成。
編譯器處理虛函數的方法是：為每個類對象添加一個隐藏成員，隐藏成員中儲存了一個指向函數位址數組的指針，稱為虛表指針（vptr），這種數組成為虛函數表（virtual function table, vtbl），即，每個類使用一個虛函數表，每個類對象用一個虛表指針。
舉個例子：基類對象包含一個虛表指針，指向基類中所有虛函數的位址表。派生類對象也将包含一個虛表指針，指向派生類虛函數表。看下面兩種情況：
- 如果派生類重寫了基類的虛方法，該派生類虛函數表将儲存重寫的虛函數的位址，而不是基類的虛函數位址。
- 如果基類中的虛方法沒有在派生類中重寫，那麼派生類将繼承基類中的虛方法，而且派生類中虛函數表将儲存基類中未被重寫的虛函數的位址。注意，如果派生類中定義了新的虛方法，則該虛函數的位址也将被添加到派生類虛函數表中。
下面的圖檔展現了上述的底層實作機制：
在C++primer第六版第十三章的虛函數的工作原理編譯器處理虛函數的方法是：
給每個對象添加一個指針，存放了指向虛函數表的位址，虛函數表存儲了為類對象進行聲明的虛函數位址。比如基類對象包含一個指針，該指針指向基類所有虛函數的位址表，派生類對象将包含一個指向獨立位址表的指針，如果派生類提供了虛函數的新定義，該虛函數表将儲存新函數的位址，如果派生類沒有重新定義虛函數，該虛函數表将儲存函數原始版本的位址。如果派生類定義了新的虛函數，則該函數的位址将被添加到虛函數表中，注意虛函數無論多少個都隻需要在對象中添加一個虛函數表的位址。
調用虛函數時，程式将檢視存儲在對象中的虛函數表位址，轉向相應的虛函數表，使用類聲明中定義的第幾個虛函數，程式就使用數組的第幾個函數位址，并執行該函數。
使用虛函數後的變化：
（1） 對象将增加一個存儲位址的空間（32位系統為4位元組，64位為8位元組）。
（2） 每個類編譯器都建立一個虛函數位址表
（3） 對每個函數調用都需要增加在表中查找位址的操作。
虛函數的注意事項
總結前面的内容
（1） 基類方法中聲明了方法為虛後，該方法在基類派生類中是虛的。
（2） 若使用指向對象的引用或指針調用虛方法，程式将根據對象類型來調用方法，而不是指針的類型。
（3）如果定義的類被用作基類，則應将那些要在派生類中重新定義的類方法聲明為虛。
構造函數不能為虛函數。
基類的析構函數應該為虛函數。
友元函數不能為虛，因為友元函數不是類成員，隻有類成員才能是虛函數。
如果派生類沒有重定義函數，則會使用基類版本。
重新定義繼承的方法若和基類的方法不同（協變除外），會将基類方法隐藏；如果基類聲明方法被重載，則派生類也需要對重載的方法重新定義，否則調用的還是基類的方法。
總結
總結了這麼多關于虛函數表的内容，看似和COM的和口沒有多大的關系；但是，毋庸置疑的是這一切都是COM的基礎，COM實質就是接口，而接口的背後C++的虛函數，隻有很好的了解了虛函數，才可以順利的了解後面COM中的技術術語和深層次的概念。