【C++】C++ 多态的底层实现

C++ 多态的底层实现

多态性是C++中面向对象编程的核心概念之一。它允许同一个接口在不同的对象上表现出不同的行为。这种特性通过虚函数（virtual function）和虚表（vtable）在底层得以实现。本文将深入探讨C++多态的底层实现细节。

1. 虚函数与虚表的概念

C++中的多态性依赖于虚函数。一个类中声明为virtual的函数，表示它可以在派生类中被重写。为了支持这种机制，编译器为每一个包含虚函数的类生成一张虚表（vtable），其中存储了指向该类的虚函数的指针。

虚函数表（vtable）

虚表是一个指针数组，每个指针指向该类的一个虚函数的实现。当类中存在虚函数时，编译器会自动为类生成虚表。每个对象实例都包含一个指向对应虚表的指针，称为虚表指针（vptr）。在运行时，通过虚表指针，程序可以动态地调用对象的实际函数实现。

虚表指针（vptr）

在每个包含虚函数的类的对象中，编译器会在对象内隐式地插入一个指针（通常在对象内存布局的开始处），这个指针指向该对象所属类的虚表。这意味着每个对象都有一个vptr，指向它实际的类的虚表。当调用一个虚函数时，程序会通过vptr查找正确的函数指针，然后进行调用。

2. 多态的工作流程

在理解了虚表和虚表指针之后，我们可以更好地理解C++多态是如何工作的。

1. 编译期：当一个类定义了虚函数，编译器会为这个类生成一个虚表。对于每一个对象，编译器还会生成一个虚表指针，并将其初始化为指向对象所属类的虚表。对于派生类，如果它重写了基类的虚函数，派生类的虚表将会包含指向重写函数的指针。

2. 运行期：当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会根据对象的vptr访问虚表，从虚表中查找对应的函