深入理解virtual关键字

简介：深入理解virtual关键字背后的机制，了解它存在的理由以及使用它需要注意的问题。本文将为你揭开virtual的神秘面纱。

引言

为什么会写这篇文章？主要是因为项目中的代码大量使用了带virtual关键字的类，让我觉得不吐不快。virtual并没有什么超能力可以化腐朽为神奇，它有其存在的理由，但滥用它是一种非常不可取的错误行为。本文将带你一步一步了解virtual机制，为你揭开virtual的神秘面纱。

为什么需要virtual

假设我们正在进行一个公共图形化库的设计实现，其中涉及2d和3d坐标点的打印，设计出Point2d和Point3d的实现如下：

完美，一切都符合预期。既然如此，我们为什么需要virtual？让我们提个新需求：封装一个坐标点打印接口，输入是坐标点实例，输出是坐标点的值。很快，我们实现了代码：

哦噢，问题来了，当我们传入3d坐标点实例时，我们的期望是打印3d坐标点的值，而实际只能打印2d坐标点的值。现在的程序傻傻分不清坐标点是2d还是3d，为了让程序变得更聪明，需要对症下药，而virtual正是该症的药方。只需要更新Point2d接口print的声明即可：

干得漂亮，一切又恢复完美如初。在c++继承关系中实现多态的威力，正是需要virtual的地方。那么它的神奇魔力究竟从何而来呢？一切要从类数据成员内存布局说起。

类的内存布局

在c++对象模型中，非静态数据成员被配置于每一个类对象之内，静态数据成员则被存放在类对象之外。静态和非静态函数成员也被存放在类对象之外。大多数编译器对类的内存布局方式是按成员的声明顺序依次排列，本文的所有例子都是在mac环境下，使用x86_64-apple-darwin21.6.0/clang-1300.0.29.3编译，非virtual版本的Point2d内存布局：

内存布局需要我们注意的是编译器对内存的对齐方式，内存对齐一般分两步：其一是类成员先按自身大小对齐，其二是类按最大成员大小对齐。我们在安排类成员的时候，应该遵循成员从大到小的顺序声明，这样可以避免不必要的内存填充，节省内存占用。

派生类的内存布局

在c++的继承模型中，一个子类的内存大小，是其基类的数据成员加上其自己的数据成员大小的总和。大多数编译器对子类的内存布局是先安排基类的数据成员，然后是本身的数据成员。非virtual版本的Point3d的内存布局：

virtual类的内存布局

当Point2d声明了virtual函数后，对类对象产生了两点重大影响：一是类将产生一系列指向virtual functions的指针，放在表格之中，这个表格被称之为virtual table(vtbl)。二是类实例都被安插一个指针指向相关的virtual table，通常这个指针被称为vptr。为了示例需要，我们重新设计Point2d和Point3d实现：

大多数编译器把vptr安插在类实例的开始处，现在我们来看看virtual版本的Point2d和Point3d的内存布局：

真实内存布局是否如上图所示，很简单，我们一验便知：

关键核心virtual table的获取在第5行，其实可以看成两步操作：intptr_t vptr2d = *(intptr_t*)&point2d；intptr_t *vtbl2d = (intptr_t*)vptr2d；第一步使vptr2d指向virtual table，第二步将指针转换为数组首地址。然后就可以用vtbl2d逐个调用虚函数。从输出结果看，程序确实逐个调用到对应的虚函数，virtual类的内存布局和先前我们所画结构图一致。

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