【C++】透视C++多态：从虚函数表到底层内存布局的完全拆解

原创已于 2025-10-01 10:52:19 修改 · 904 阅读

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#c++ #多态原理 #虚函数表

于 2025-10-01 10:51:15 首次发布

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上篇文章我们知道了虚表的存在，虚表中存储了虚函数的指针，所以sizeof()展现出来会包括指针的大小，那么今天我们从原理的角度来理解一下多态。

【C++】面试官爱的C++多态八股文，这次让你彻底搞懂！

1. 多态原理

下面这段代码中，Buy()函数，如果传入的是Person调用的就是Person::BuyTicket()，传Student调用的是Student::BuyTicket。这样就构成了多态，而多态的调用实现，是依靠运行时，去指向对象的虚表中查调用的函数地址。

class Person
{
public:
	Person(const char* name = "张三")
		:_name(name)
	{}
	
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << _name << "购票,需要排队,每人 100 ￥" << endl;
	}
protected:
	string _name;
};
 
class Student : public Person
{
public:
	Student(const char* name)
		:_name(name)
	{}
 
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << _name << "购票,需要排队,每人 50 ￥" << endl;
	}
private:
	string _name;
};
 
void Buy(Person* p)
{
	p->BuyTicket();
}
 
int main()
{
	Person p("张三");
	Buy(&p);
 
	Student st("张同学");
	Buy(&st);
	return 0;
}

通过监视窗口我们可以发现：

Person指向对象p时，p->BuyTicket()在p的虚表中找到虚函数是Person::Ticket
Student指向对象st时，st->BugTicket在st的虚表中找到虚函数是Student::Ticket
通过查找不同的虚函数就实现了，不同的对象调用会有不同的行为，也就是多态
我们再明确一下实现多态的两个条件：存在虚函数、需要对象指针或引用调用虚函数
通过反汇编窗口可以发现，构成了多态之后，函数的调用是在运行了程序过程中去对象中取的，而不是编译时就决定的（如果不是多态，函数调用会在编译时就决定好）

多态调用：运行时决议，运行时才确定函数的地址

普通函数：编译时决议，编译时确认调用函数的地址

2. 动态绑定与静态绑定

静态绑定（前期绑定）：编译时就决定了调用哪个函数，根据变量或表达式的静态类型决定，也就形成了静态多态，如函数重载
动态绑定（后期绑定）：在程序运行时，根据拿到的具体类型来确定函数的具体行为，也就形成动态动态

如下面这个和上面那个p->BuyTicket()对比就知道，动态绑定和静态绑定的区别：

3. 单继承和多继承中的虚函数表

3.1. 单继承中的虚函数表

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};
 
class Derive :public Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func3()
	{
		cout << "Derive::Func3()" << endl;
	}
	virtual void Func4()
	{
		cout << "Derive::Func4()" << endl;
	}
private:
	int _d = 2;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

通过调试时我们发现似乎有些问题，理论上派生类d，应该会有三个虚函数（继承基类的两个，新增加的两个），但是我们发现虚表中只有两个指针，我们看不到Func3()和Func4()，这里是编译器隐藏了这两个函数，可以认为是VS的一个Bug。

这里我们采用比较底层的方式打印出虚表的指针：

首先我们明确一点，虚函数指针会隐藏的存储在对象内存的开头
我们先 &b 取地址
然后强制转换成三重指针 (void***)(&d)，这相当于告诉编译器，将这块内存看做指向void**的指针
然后进行解引用 *(void***)(&d)，这也就是对象开头的虚函数表指针

// 打印虚表并执行函数
void PrintVFTable_Safe(void** vtable, int max_entries = 10)
{
    cout << "Virtual Table Address: " << vtable << endl;

    if (vtable == nullptr) {
        cout << "Invalid vtable pointer!" << endl;
        return;
    }

    for (int i = 0; i < max_entries; ++i)
    {
        // 检查地址是否有效
        if (vtable[i] == nullptr || (uintptr_t)vtable[i] < 0x1000) {
            cout << "  [" << i << "]: END OF TABLE" << endl;
            break;
        }

        cout << "  [" << i << "]: " << vtable[i];
        
        // 直接执行函数
        typedef void(*FuncPtr)();
        FuncPtr func = (FuncPtr)vtable[i];
        cout << " -> ";
        func();  // 执行函数
        
        // 安全限制，避免无限循环
        if (i >= max_entries - 1) {
            cout << "  ... (reached max entries)" << endl;
            break;
        }
    }
    cout << endl;
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	void** vtable_b = *(void***)(&b);
	void** vtable_d = *(void***)(&d);

	cout << "=== Base Virtual Table ===" << endl;
	PrintVFTable_Safe(vtable_b);

	cout << "=== Derive Virtual Table ===" << endl;
	PrintVFTable_Safe(vtable_d);

	return 0;
}

3.2. 多继承中的虚函数表

下面我们给出一段多继承的代码，来分析一下：

#include <iostream>
using namespace std;

class Base1
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base1::Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base1::Func2()" << endl;
	}
private:
	int _b1 = 1;
};

class Base2
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base2::Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base2::Func2()" << endl;
	}
private:
	int _b2 = 1;
};

class Derive :public Base1, public Base2
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func3()
	{
		cout << "Derive::Func3()" << endl;
	}
private:
	int _d1 = 2;
};

// 打印虚表并执行函数
void PrintVFTable_Safe(void** vtable, int max_entries = 10)
{
	cout << "Virtual Table Address: " << vtable << endl;

	if (vtable == nullptr) {
		cout << "Invalid vtable pointer!" << endl;
		return;
	}

	for (int i = 0; i < max_entries; ++i)
	{
		// 检查地址是否有效
		if (vtable[i] == nullptr || (uintptr_t)vtable[i] < 0x1000) {
			cout << "  [" << i << "]: END OF TABLE" << endl;
			break;
		}

		cout << "  [" << i << "]: " << vtable[i];

		// 直接执行函数
		typedef void(*FuncPtr)();
		FuncPtr func = (FuncPtr)vtable[i];
		cout << " -> ";
		func();  // 执行函数

		// 安全限制，避免无限循环
		if (i >= max_entries - 1) {
			cout << "  ... (reached max entries)" << endl;
			break;
		}
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Derive d;

	void** vtable_d = *(void***)(&d);

	PrintVFTable_Safe(vtable_d);

	return 0;
}

构成这样一个继承关系：