C++ 虚函数表剖析(C++ 虚函数表深入解析)

一、引言

在C++中，多态是通过虚函数实现的。当我们使用指针或引用调用一个虚函数时，程序会利用对象的实际类型来确定应该调用哪个函数。这一机制的背后，是虚函数表（vtable）在起作用。本文将深入剖析C++虚函数表的工作原理，帮助读者更好地懂得多态的实现。

二、虚函数表的概念

虚函数表是一个数组，其中包含了类的虚函数的地址。当一个类有虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表。如果一个类继承自另一个具有虚函数的类，子类会继承父类的虚函数表，并也许添加自己的虚函数。虚函数表允许C++能够实现动态绑定，即运行时确定调用哪个函数。

三、虚函数表的工作原理

当一个类的对象被创建时，编译器会在对象的内存布局中添加一个指向虚函数表的指针。这个指针通常位于对象的起初位置。当我们通过指针或引用调用一个虚函数时，程序会通过这个指针找到虚函数表，然后利用函数在虚函数表中的索引来调用相应的函数。

四、虚函数描述例分析

下面通过一个易懂的示例来分析虚函数表的工作原理。

class Base {
public:
    virtual void show() {
        cout << "Base show" << endl;
    }
};
class Derived : public Base {
public:
    void show() override {
        cout << "Derived show" << endl;
    }
};
Base* bptr;
Derived d;
bptr = &d;
bptr->show();  // 输出：Derived show
    

在这个示例中，Base 类有一个虚函数 show，而 Derived 类继承自 Base 并重写了 show 函数。

五、虚函数表的内存布局

下面是也许的虚函数表的内存布局（以简化形式描述）：

Base vtable:
0 - Base::show
Derived vtable:
0 - Derived::show
1 - Base::show (继承自 Base)

当创建一个 Derived 类的对象时，它的内存布局如下：

+-------------------+
| Derived object    |
|-------------------|
| vptr (指向Derived vtable) |
|-------------------|
| ...               |
+-------------------+

当我们调用 bptr->show() 时，程序会通过 bptr 的 vptr 指针找到 Derived 类的虚函数表，然后利用索引 0 调用 Derived::show 函数。

六、虚函数表的特殊情况

1. 纯虚函数：如果一个类包含纯虚函数，那么它不能被实例化。纯虚函数在虚函数表中不占位。

2. 覆盖继承：如果一个子类重写了父类的虚函数，那么在子类的虚函数表中，对应的函数地址会替换父类的虚函数地址。

3. 多重继承：如果一个类从多个基类继承，且这些基类都有虚函数，那么编译器会为每个基类生成一个虚函数表，并在派生类中包含指向这些虚函数表的指针。

七、虚函数表的开销

使用虚函数会增长程序的运行时开销，基于每次调用虚函数时都需要通过虚函数表进行查找。此外，虚函数表本身也需要占用额外的内存。然而，在大多数情况下，这种开销是可以接受的，基于它提供了多态性和灵活性。

八、总结

虚函数表是C++实现多态的关键机制。通过深入懂得虚函数表的工作原理，我们可以更好地利用多态特性，编写出更加灵活和可扩展的程序。虽然虚函数表引入了一定的开销，但在现代计算机硬件上，这种开销通常是可以忽略不计的。

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