C++ COM编程之接口背后的虚函数表

 更新时间:2014年10月01日 10:23:52   作者:果冻想  
这篇文章主要介绍了C++ COM编程之接口背后的虚函数表,COM的背后,就是接口,而接口的背后,就是虚函数表,需要的朋友可以参考下

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:

复制代码 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:

复制代码 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:

复制代码 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:

复制代码 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?

复制代码 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:

复制代码 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:

复制代码 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:

复制代码 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:

复制代码 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。

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