ATL炒冷饭学习之二：绕不开的虚函数
一、前言
对于C++的程序员，多态机制是再熟悉不过的了；多态就是用父类型别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。对于多态机制是如何实现的原理，想必对于一个c++程序员来说是小菜一碟。对于即将学习COM技术的人，将会明白com接口有将这一机制运用到了极致，所以，多态技术也是学习COM技术的前提和基础，不知道多态机制的人，是永运无法学习明白COM的。所以，在开始学习COM时，是非常有必要专门复习一下C++的多态机制是如何实现的。
二、多态
从概念上说，多态就是用父类型别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。通过下面的代码先体会一下多态：
#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();
}
有兴趣的读者可以编译运行上面的代码，运行结果是：this i s AClass！，明显这不是多态的行为。
假如我们对AClass类的PrintMessage函数前面加入关键字virtual，具体代码如下：
#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();
}
再次编译执行此代码。此时，代码的运行结果为：this i s BClass！这个时候就表现出来了多态行为。通过这个简单的例子，你应该体会到多态的概念了。
三、虚函数表
多态机制的关键就是在于虚函数表，也就是vtbl。当定义一个类并且类中包含虚函数时，其实也就定义了一张虚函数表，没有虚函数的类是不包含虚函数表的，只有该类被实例化时，才会将这个表分配到这个实例的内存中；在这张虚函数表中，存放了每个虚函数的地址；它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。如下面定义一个类：
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;
};
这样的一个类，当你去定义这个类的实例时，编译器会给这个类分配一个成员变量，该变量指向这个虚函数表，这个虚函数表中的每一项都会记录对应的虚函数的地址；如下图：
这个类的变量还没有被初始化时，就像上图那样，变量的值都是随机值，而指向虚拟函数表的指针__vfptr中对应的虚函数地址也是错误的地址；只有等我们真正的完成了这个变量的声明和初始化时，这些值才能被正确的初始化，如下图：
从上图中就可以看到，初始化完成以后，指向虚函数表的__vfptr指针中的元素都被赋予了正确的虚函数值，分别指向了在类中定义的三个虚函数。也看到了，__vfptr指针定义的位置也比m_intVar和m_floatVar变量的位置靠前；在C++编译器中，它保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置，这主要是为了在多层继承或是多重继承的情况下，能以高性能取到这张虚函数表，然后进行遍历，查找对应的虚函数指针，进行对应的调用。
基类定义了虚函数，子类可以重写该函数，当子类重新定义了父类的虚函数后，父类指针根据赋给它的不同的子类指针，动态地调用属于子类的该函数，且这样的函数调用是无法在编译器期间确认的，而是在运行期确认，也叫做迟绑定。
下面先看看虚函数实现的模型：
结合上面中模型的特点，并对内存存取和空间进行了优化。在此模型中，non static 数据成员被放置到对象内部，static数据成员， static and nonstatic 函数成员均被放到对象之外。对于虚函数的支持则分两步完成：
1.每一个class产生一堆指向虚函数的指针，放在表格之中。这个表格称之为虚函数表（virtual table，vtbl）。
2.每一个对象被添加了一个指针，指向相关的虚函数表vtbl。通常这个指针被称为vptr。vptr的设定（setting）和重置（resetting）都由每一个class的构造函数，析构函数和拷贝赋值运算符自动完成。
另外，虚函数表地址的前面设置了一个指向type_info的指针，RTTI（Run Time Type Identification）运行时类型识别是有编译器在编译器生成的特殊类型信息，包括对象继承关系，对象本身的描述，RTTI是为多态而生成的信息，所以只有具有虚函数的对象在会生成。
编译器处理虚函数的方法是：为每个类对象添加一个隐藏成员，隐藏成员中保存了一个指向函数地址数组的指针，称为虚表指针（vptr），这种数组成为虚函数表（virtual function table, vtbl），即，每个类使用一个虚函数表，每个类对象用一个虚表指针。
举个例子：基类对象包含一个虚表指针，指向基类中所有虚函数的地址表。派生类对象也将包含一个虚表指针，指向派生类虚函数表。看下面两种情况：
- 如果派生类重写了基类的虚方法，该派生类虚函数表将保存重写的虚函数的地址，而不是基类的虚函数地址。
- 如果基类中的虚方法没有在派生类中重写，那么派生类将继承基类中的虚方法，而且派生类中虚函数表将保存基类中未被重写的虚函数的地址。注意，如果派生类中定义了新的虚方法，则该虚函数的地址也将被添加到派生类虚函数表中。
下面的图片体现了上述的底层实现机制：
在C++primer第六版第十三章的虚函数的工作原理编译器处理虚函数的方法是：
给每个对象添加一个指针，存放了指向虚函数表的地址，虚函数表存储了为类对象进行声明的虚函数地址。比如基类对象包含一个指针，该指针指向基类所有虚函数的地址表，派生类对象将包含一个指向独立地址表的指针，如果派生类提供了虚函数的新定义，该虚函数表将保存新函数的地址，如果派生类没有重新定义虚函数，该虚函数表将保存函数原始版本的地址。如果派生类定义了新的虚函数，则该函数的地址将被添加到虚函数表中，注意虚函数无论多少个都只需要在对象中添加一个虚函数表的地址。
调用虚函数时，程序将查看存储在对象中的虚函数表地址，转向相应的虚函数表，使用类声明中定义的第几个虚函数，程序就使用数组的第几个函数地址，并执行该函数。
使用虚函数后的变化：
（1） 对象将增加一个存储地址的空间（32位系统为4字节，64位为8字节）。
（2） 每个类编译器都创建一个虚函数地址表
（3） 对每个函数调用都需要增加在表中查找地址的操作。
虚函数的注意事项
总结前面的内容
（1） 基类方法中声明了方法为虚后，该方法在基类派生类中是虚的。
（2） 若使用指向对象的引用或指针调用虚方法，程序将根据对象类型来调用方法，而不是指针的类型。
（3）如果定义的类被用作基类，则应将那些要在派生类中重新定义的类方法声明为虚。
构造函数不能为虚函数。
基类的析构函数应该为虚函数。
友元函数不能为虚，因为友元函数不是类成员，只有类成员才能是虚函数。
如果派生类没有重定义函数，则会使用基类版本。
重新定义继承的方法若和基类的方法不同（协变除外），会将基类方法隐藏；如果基类声明方法被重载，则派生类也需要对重载的方法重新定义，否则调用的还是基类的方法。
总结
总结了这么多关于虚函数表的内容，看似和COM的和口没有多大的关系；但是，毋庸置疑的是这一切都是COM的基础，COM实质就是接口，而接口的背后C++的虚函数，只有很好的理解了虚函数，才可以顺利的理解后面COM中的技术术语和深层次的概念。