C++虚函数表

虚函数表（Virtual Table，简称 vtable）是 C++ 中实现 多态性 的关键机制之一。它用于支持类的虚函数的动态绑定（也叫运行时多态）。通过虚函数表，C++ 可以在程序运行时动态地调用不同子类的函数，而不是在编译时决定调用哪个函数。

以下是虚函数表的详细介绍，包括其工作原理和常见的面试问题。

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1. 虚函数的概念

在 C++ 中，虚函数（virtual function）是指在基类中声明为 virtual 的函数，其目的是在派生类中可以进行重写（override）。虚函数可以让基类的指针或引用在运行时动态调用派生类的实现，而不是基类的实现。这样可以实现多态性。

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

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

在上面的例子中，Base 类的 show() 是虚函数，Derived 类重写了这个函数。如果我们通过 Base 类的指针指向 Derived 类的对象，调用 show() 时，会动态地调用 Derived 类的 show() 实现，而不是 Base 类的实现。

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2. 虚函数表的概念

虚函数表（vtable）是编译器为每个含有虚函数的类自动生成的一个指针表，它记录了与该类相关的虚函数指针。虚函数表通过对象的 虚指针（vptr）来实现函数的动态调度。

每个含有虚函数的类都有一个虚函数表：

• 虚函数表中存储的是该类中所有虚函数的函数指针。
• 对象的每一个实例都包含一个指向该虚函数表的指针，称为虚指针（vptr）。

虚函数表的工作原理

1. 当一个类包含虚函数时，编译器会为这个类生成一个虚函数表 vtable。
2. 每个对象的内存布局中会多一个虚指针 vptr，它指向该类的虚函数表。
3. 虚函数表中每个槽位存储着指向该类虚函数的函数指针。
4. 当调用虚函数时，程序首先通过对象的 vptr 查找虚函数表，定位到相应的函数指针，并调用该函数。

虚函数表的例子

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

    virtual void display() {
        std::cout << "Base class display()" << std::endl;
    }
};

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

在这个例子中：

• Base 类有两个虚函数：show() 和 display()。
• Derived 类重写了 show() 函数。

生成的虚函数表可能如下：

• Base 类的虚函数表 (Base::vtable)：

  函数序号	函数指针
  0	Base::show
  1	Base::display

• Derived 类的虚函数表 (Derived::vtable)：

  函数序号	函数指针
  0	Derived::show
  1	Base::display

当调用 show() 时，如果对象是 Base 类的实例，vptr 会指向 Base::vtable，因此会调用 Base::show()。而如果对象是 Derived 类的实例，vptr 会指向 Derived::vtable，因此会调用 Derived::show()。display() 没有在 Derived 类中重写，因此无论是 Base 对象还是 Derived 对象，都调用 Base::display()。

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3. 虚指针（vptr）的概念

虚指针（vptr）是编译器为每个对象自动生成的一个指针，它指向对象所属类的虚函数表。每个对象都有自己的虚指针，但是指向同一个虚函数表。

• 当一个对象创建时，编译器会在对象的内存布局中插入一个指向虚函数表的指针 vptr。
• 当调用虚函数时，程序通过 vptr 找到该对象所属的类的虚函数表，再通过表中的函数指针调用实际的函数。

4. 虚函数表和多继承

在多继承的情况下，C++ 可能会为类创建多个虚函数表。例如：

class Base1 {
public:
    virtual void func1() { std::cout << "Base1::func1" << std::endl; }
};

class Base2 {
public:
    virtual void func2() { std::cout << "Base2::func2" << std::endl; }
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    void func1() override { std::cout << "Derived::func1" << std::endl; }
};

在这种情况下，Derived 类可能会有两个虚函数表，一个是用于 Base1 的虚函数，另一个是用于 Base2 的虚函数。

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5. 虚函数表的内存布局

对象的内存布局在含有虚函数时，会发生以下变化：

• 对象的开头处会增加一个指向虚函数表的指针 vptr。
• vptr 指向虚函数表，该表中记录了该类的虚函数的函数指针。
• 如果类不含有虚函数，内存中就没有 vptr。

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6. 常见面试问题

(1) 什么是虚函数表？

• 虚函数表（vtable）是编译器在实现虚函数（virtual function）时生成的一个表格，用于存储类中所有虚函数的函数指针。
• 每个含有虚函数的类都有一个虚函数表，虚函数表的每一项是虚函数的入口地址。

(2) 虚函数表是如何实现多态的？

• 当基类指针或引用指向派生类对象时，程序通过虚指针（vptr）找到对应的虚函数表，然后根据虚函数表中的函数指针调用派生类中重写的虚函数，从而实现多态性。
• 动态绑定通过虚函数表实现，它允许在运行时根据实际对象类型调用对应的虚函数。

(3) 虚函数表在多继承中的实现？

• 在多继承的情况下，编译器通常为每个基类创建一个虚函数表，因此派生类的对象可能包含多个虚指针，每个指针指向各自基类的虚函数表。

(4) 虚函数和普通函数的区别？

• 普通函数是在编译时确定调用哪个函数，而虚函数是在运行时通过虚函数表动态确定调用哪个函数。
• 普通函数没有虚指针和虚函数表的开销，而虚函数需要通过虚指针找到对应的虚函数表，增加了调用的间接性。

(5) 虚函数表的性能开销？

• 虚函数表的使用引入了一定的开销，因为每次调用虚函数时，必须通过虚指针查找虚函数表，再调用相应的函数。这增加了一次间接寻址操作。
• 此外，虚指针占用了一定的内存，每个对象会多出一个指针的空间来存储虚指针。

(6) 如何避免虚函数的开销？

• 如果不需要运行时的多态行为，可以避免使用虚函数。例如，当类的行为不需要通过继承和重写来扩展时，可以不使用虚函数，这样可以避免虚函数表和虚指针的开销。