虚函数表机制

单蠢小威

于 2025-01-30 03:33:21 发布

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分类专栏： cpp 文章标签： c++

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以下是关于 虚函数表（Virtual Function Table, vtable） 的详细解释，结合 C++ 的实现机制和代码示例：

虚函数表（vtable）的作用

虚函数表是 C++ 实现 动态多态（运行时多态） 的核心机制。它通过以下方式工作：

存储虚函数地址：每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，表中按顺序存储该类所有虚函数的地址。
运行时绑定：通过虚函数表，程序在运行时根据对象的实际类型决定调用哪个函数。

虚函数表的结构

虚函数表（vtable）：一个隐藏的指针数组，由编译器自动生成。
虚函数指针（vptr）：每个对象内部包含一个指向其所属类的虚函数表的指针（通常位于对象内存布局的起始位置）。

内存布局示例

class Base {
public:
    virtual void func1() { /* ... */ }
    virtual void func2() { /* ... */ }
    int data;
};

class Derived : public Base {
public:
    void func1() override { /* ... */ } // 重写 func1
    virtual void func3() { /* ... */ }  // 新增虚函数
};

虚函数表内容：

Base 的虚函数表：

[0] Base::func1 的地址
[1] Base::func2 的地址

Derived 的虚函数表：

[0] Derived::func1 的地址（覆盖基类 func1）
[1] Base::func2 的地址（未重写，继承基类）
[2] Derived::func3 的地址（新增虚函数）

虚函数表的实现原理

1. 对象内存布局

每个对象实例化时，编译器会在其内存开头插入一个 虚函数指针（vptr），指向所属类的虚函数表。

Derived 对象的内存布局：
+-------------------+
| vptr              | --> 指向 Derived 的虚函数表
| Base::data        |
| Derived 的成员变量 |
+-------------------+

2. 虚函数调用过程

当通过基类指针或引用调用虚函数时：

通过对象的 vptr 找到虚函数表。
根据虚函数在表中的偏移量（索引）找到函数地址。
调用该地址对应的函数。

示例代码：

Base* obj = new Derived();
obj->func1(); // 实际调用 Derived::func1()

虚函数表的关键特性

每个类一个虚函数表：
- 同一类的所有对象共享同一个虚函数表。
- 派生类会生成新的虚函数表，继承并可能覆盖基类的虚函数。
虚函数表的继承与覆盖：
- 若派生类重写基类虚函数，则派生类虚函数表中对应的函数地址会被替换。
- 若派生类新增虚函数，则虚函数表会扩展。
多继承中的虚函数表：
- 多继承时，派生类会为每个基类维护一个虚函数表（可能有多个 vptr）。
- 虚继承会进一步增加虚函数表的复杂性。

验证虚函数表的存在

示例代码：通过内存地址观察虚函数表

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void func1() { std::cout << "Base::func1" << std::endl; }
    virtual void func2() { std::cout << "Base::func2" << std::endl; }
};

class Derived : public Base {
public:
    void func1() override { std::cout << "Derived::func1" << std::endl; }
    virtual void func3() { std::cout << "Derived::func3" << std::endl; }
};

int main() {
    Base base;
    Derived derived;

    // 获取虚函数表的地址（假设 vptr 在对象起始位置）
    using VTable = void (**)();
    VTable vtable_base = *(VTable*)&base;
    VTable vtable_derived = *(VTable*)&derived;

    // 调用虚函数表中的函数
    vtable_base[0]();    // 输出 Base::func1
    vtable_derived[0](); // 输出 Derived::func1
    vtable_derived[2](); // 输出 Derived::func3

    return 0;
}

虚函数表的开销

内存开销：
- 每个对象需要额外存储 vptr（通常 4/8 字节）。
- 每个类需要存储虚函数表（编译期间生成）。
性能开销：
- 虚函数调用需要间接寻址（多一次指针跳转），可能影响 CPU 缓存效率。
- 现代编译器对虚函数的优化较好，性能影响通常可忽略。

虚函数表与虚析构函数

若基类的析构函数不是虚函数，通过基类指针删除派生类对象时，只会调用基类析构函数，导致派生类资源泄漏。因此，基类应定义虚析构函数。

示例：

class Base {
public:
    virtual ~Base() {} // 虚析构函数
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() override { /* 释放派生类资源 */ }
};

Base* obj = new Derived();
delete obj; // 正确调用 Derived::~Derived()