C++ COM编程之接口背后的虚函数表

前言

学习C++的人，肯定都知道多态机制；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，你有没有想过呢？而COM中的接口就将这一机制运用到了极致，所以，不知道多态机制的人，是永运无法明白COM的。所以，在总结COM时，是非常有必要专门总结一下C++的多态机制是如何实现的。

多态

什么是多态？上面也说了，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。现在通过代码，让大家切身的体会一下多态：

代码如下:

#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();
}

上面代码的运行结果是：I am A.这不是多态的行为。

好了，经过对上面代码的改造，就在A类的Print函数前面加入关键字virtual，具体代码如下：

代码如下:

#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();
}

此时，代码的运行结果为：I am B.这个时候就表现出来了多态行为。好了，多了我也不说了，就通过这个简单的例子，你就能体会到多态的概念了。从下面才开始今天的主题。

虚函数表

多态机制的关键就是在于虚函数表，也就是vtbl。当我们定义一个类，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。比如我定义一个类，如下：

代码如下:

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;
};

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_iVar和m_fVar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。

我们都知道，虚函数是用来支持C++中的多态的，而单独的一个类，有了虚函数，而没有任何继承关系，也就是说没有子类去覆盖父类的虚函数，这样是毫无意义的。所以下面就要从各个方面进行详细的说明虚函数表。

没有实现多态的单继承

比如有如下的继承关系：

在这个继承关系中，CIF2作为CIF1的子类，但是CIF2没有重写CIF1类的任何虚函数；定义CIF2 if2Obj;实例，在派生类的实例中，它的虚函数表应该是像下面这样的：

代码如下:

[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 *

可以发现，虚函数按照其声明顺序存放在表中，父类的虚函数在子类的虚函数前面。

实现多态的单继承

现在我在CIF2类中，重写CIF1类的IF1函数，它们的关系如下：

在上图中，CIF2继承了CIF1，并且在CIF2类中重写了CIF1的虚函数IF1，那我们现在看看虚函数表是什么样子的？

代码如下:

[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 *

你发现了什么？虚函数表中的第一项是CIF2::IF1，而不是CIF1::IF1，这说明了当在子类中重写父类的虚函数时，新的函数的地址覆盖了父类的虚函数地址，这样就能在多态时能正确的找到需要被调用的函数；而没有被覆盖的函数还是那样的顺序在虚函数表中存储着。

没有实现多态的多继承

对于简单的，没有实现多态的多继承，比如，有下面的一个多继承关系：

在子类中没有重写任何父类的虚函数，那么它的虚函数表应该是什么样子呢？

虚函数表CIF1，如下：

代码如下:

[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 *

虚函数表CIF2，如下：

代码如下:

[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 *

从上面的虚函数表，我们可以分析出来，每个父类都有自己的虚函数表，子类的虚函数被放到了第一个父类的表中。第一个父类是按照声明顺序来判断的。

实现多态的多继承

上面说的是没有发生重写的情况，现在来说说发生重写的情况；比如，现在有以下情况：

在子类中重写了父类的虚函数，那它的虚函数表又是什么样子呢？

虚函数表CIF1，如下：

代码如下:

[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 *

虚函数表CIF2，如下：

代码如下:

[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 *

从上面的虚函数表中，我们可以看到虚函数表中的CIF1::IF1(void)全都被替换成了CIF3::IF1(void)，那么我们就可以以任意的父类指针来调用IF1(void)，实际上调用的是CIF3::IF1(void)，这就实现了所谓的多态。

总结

总结了这么多关于虚函数表的内容，感觉很扯，和接口没有多大的关系；但是，这一切都是COM的基础，COM的背后，就是接口，而接口的背后，就是我这里总结的，说白了，完全了解了这里，对于理解COM的接口是有非常大的用处的。希望我的总结对大家有用。