C++虛表&多態(tài)的實(shí)現(xiàn)原理分析

更新時(shí)間：2025年09月09日 15:42:57 作者：愛上小公舉

文章介紹了C++虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制,通過虛函數(shù)指針（vfptr）和虛函數(shù)表（vftable）實(shí)現(xiàn)多態(tài),對(duì)象包含vfptr指針,虛表存函數(shù)地址并以空指針結(jié)尾,繼承時(shí)虛表繼承并擴(kuò)展,多態(tài)需基類指針引用和虛函數(shù)重寫,利用虛表實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)綁定

C++虛表&多態(tài)實(shí)現(xiàn)原理

這里我們只看繼承中的多態(tài) ，本文程序調(diào)試在VS2017

先看一個(gè)小問題，下面的類A實(shí)例化出的對(duì)象占幾個(gè)字節(jié)呢？

#include<iostream>
using namespace std;
class A {
	int m_a;
public:
	void func(){
		cout << "類A的func" << endl;
	}
};
int main() {
        A a;
	cout << sizeof(a) << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

答案是4字節(jié)，這是因?yàn)?strong>成員函數(shù)存放在公共的代碼段, 所以只計(jì)算成員變量m_a所占字節(jié)的大小

調(diào)試一下來看,

我們?nèi)绻麑⒊蓡T函數(shù)定義成虛函數(shù)又會(huì)如何呢?

我們來看：

#include<iostream>
using namespace std;
class A {
	int m_a;
public:
	virtual void func(){
		cout << "類A的func" << endl;
	}
	virtual int func1() {
		cout << "類A的func1" << endl;
		return 0;
	}
};
int main() {
	A a，b;
	cout << sizeof(A) << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

可以看到結(jié)果是8字節(jié)，emm.... 事出反常必有妖，我們調(diào)試一下，看看到底多出來了個(gè)什么東西

我們可以看到，在實(shí)例化出的對(duì)象a和b中多了一個(gè)_vfptr，它的類型時(shí)void**，是一個(gè)二級(jí)指針，指針在32位平臺(tái)中占4字節(jié)，所以這里的結(jié)果是8(m_a的4字節(jié)+_vfptr的4字節(jié))，那么_vfptr到底是個(gè)什么東西?

類中有了虛函數(shù)之后才有了_vfptr，它們之間到底有著什么關(guān)系?

其實(shí)，_vfptr，其實(shí)就是虛函數(shù)指針 (virtual function pointer)

可以看到_vfptr 指向了一個(gè) vftable(virtual function table) 虛函數(shù)表(也叫虛表)，虛表中元素是void*類型，第一個(gè)元素是指向了虛函數(shù)func()，第二個(gè)元素指向了fun1()

虛函數(shù)指針(_vfptr) 和虛函數(shù)表(vftable)

虛函數(shù)指針和虛表是什么

通過上面的調(diào)試，我們已經(jīng)看到了，_vfptr是指向虛表的一個(gè)指針，那么我們也可以叫 _vfptr 為虛函數(shù)表指針

當(dāng)一個(gè)類中有虛函數(shù)時(shí)，編譯期間，就會(huì)為這個(gè)類分配一片連續(xù)的內(nèi)存 (這就是虛表vftable)，來存放虛函數(shù)的地址，類中只保存著
指向虛表的指針 (也就是虛函數(shù)表指針_vfptr) ，(虛函數(shù)其實(shí)和普通函數(shù)一樣，存放在代碼段) ，當(dāng)這個(gè)類實(shí)例出對(duì)象時(shí)，每個(gè)對(duì)象
都會(huì)有一個(gè)虛函數(shù)表指針_vfptr (VS中虛表內(nèi)存分配在代碼段)

虛表本質(zhì)上是一個(gè)在編譯時(shí)就已經(jīng)確定好了的void* 類型的指針數(shù)組 .

注意 : 虛函數(shù)表為了標(biāo)志結(jié)尾，會(huì)在虛表最后一個(gè)元素位置保存一個(gè)空指針.所以看到的虛表元素個(gè)數(shù)比實(shí)際虛函數(shù)個(gè)數(shù)多一個(gè)

C++中的虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)一般是通過虛函數(shù)表 (C++規(guī)范并沒有規(guī)定具體用哪種方法，但大部分的編譯器都用虛函數(shù)表的方法) 大多數(shù)編譯器(如本文用的VS)中虛函數(shù)表指針都在對(duì)象的最前面位置，意味著能通過對(duì)象的地址就能遍歷虛函數(shù)表(能夠在多層繼承或多重繼承中保持較高性能)

虛函數(shù)是為了繼承時(shí)的多態(tài)才有的概念，上面簡(jiǎn)單了解了一下虛表，我們?cè)賮砜蠢^承關(guān)系中的虛表

繼承中的虛表

在有虛函數(shù)的類(有虛表的類)被繼承后, 虛表也會(huì)被拷貝給派生類. 注意，編譯器會(huì)給派生類新分配一片空間來拷貝基類的虛表，將這個(gè)虛表的指針給派生類, 而并不是沿用基類的虛表，在發(fā)生虛函數(shù)的重寫時(shí)，重寫的是派生類為了拷貝基類虛表新創(chuàng)建的這虛表中的虛函數(shù)地址

虛表為所有這個(gè)類的對(duì)象所共享. 注意，是通過給每個(gè)對(duì)象一個(gè)虛表指針_vfptr共享到的虛表.

單繼承中的虛表

1. 單繼承未重寫虛函數(shù): 會(huì)繼承派生類的虛表，如果派生類中新增了虛函數(shù)，則會(huì)加繼承的虛表后面

2. 單繼承重寫虛函數(shù): 繼承的虛表中被重寫的虛函數(shù)地址會(huì)在繼承虛表時(shí)被修改為派生類函數(shù)的地址(如下面例子中把A::func()修改成了B::func()的地址)(注意: 此時(shí)基類的虛表并沒有被修改，修改的是派生類自己的虛表)

所以, 重寫實(shí)際上就是在繼承基類虛表時(shí)，把基類的虛函數(shù)地址修改為派生類虛函數(shù)的地址

舉個(gè)栗子

#include<iostream>
using namespace std;
class A {
	int m_a;
public:
	virtual void func(){
		cout << "類A的func" << endl;
	}
	virtual int func1() {
		cout << "類A的func1" << endl;
		return 0;
	}
};
class B :public A {
public:
	virtual void func() {
		cout << "類B的func" << endl;
	}
	virtual void func2() {
		cout << "類B的func2" << endl;
	}
};
int main() {
        A a1;
        A a2;
	B b;
	system("pause");
	return 0;
}

調(diào)試如下:

可以看到對(duì)象b中的_vfptr所指向的虛表繼承了類A的虛表，但是地址卻和a1,a2的_vfptr不一樣，也印證了前面所說，新分配了一片空間來拷貝基類的虛表.

還可以看到a1和a2的虛表地址相同，也印證了前面所說，類的虛表被所有對(duì)象所共享.

但我們卻發(fā)現(xiàn)，B中也有虛函數(shù)，怎么沒有了，講道理這是不科學(xué)的，那么B類的虛函數(shù)的地址放到底哪去了呢?

思考一下，它肯定是存在的，要么另外建一張?zhí)摫矸爬锩?，要么放在繼承A的虛表里.

實(shí)際上，在單繼承中，派生類的虛函數(shù)地址會(huì)放在繼承來的基類的虛表后面，只是VS這里沒有顯示出來.

我們也可以看到圖中紅色圈出來的vftable[4]，虛表中也已經(jīng)有了四個(gè)元素，既然VS不給力，只能自己想辦法，可以在監(jiān)視窗口,通過地址看到，B類中的虛函數(shù)指針指向的虛表，其實(shí)是這樣的，如下

還可以看到，繼承的A中的虛函數(shù)func()被重寫之后，虛表中就放的是重寫后的B中的func()的地址

多繼承中的虛表

多繼承不重寫虛函數(shù): 繼承的多個(gè)基類中有多張?zhí)摫?，派生類?huì)全部拷貝下來，成為派生類的多張?zhí)摫恚绻缮愑行碌奶摵瘮?shù)，會(huì)加在派生類拷貝的第一張?zhí)摫淼暮竺?拷貝的第一張?zhí)摫硎抢^承的第一個(gè)有虛函數(shù)(或虛表)的基類的)
多繼承重寫虛函數(shù) : 規(guī)則與不重寫虛函數(shù) 相同，但需要注意的是，如果多個(gè)基類中含有相同的虛函數(shù)，例如func. 當(dāng)派生類重寫func這個(gè)虛函數(shù)后，所有含有這個(gè)函數(shù)的基類虛表都會(huì)被重寫 (改的是派生類自己拷貝的基類虛表，并不是基類自己的虛表)

舉個(gè)栗子

#include<iostream>
using namespace std;
class A {
	int m_a;
public:
	virtual void funcA() {
		cout << "類A的funcA" << endl;
	}
	virtual void func() {
		cout << "類A的func" << endl;
	}
};
class B {
public:
	virtual void funcB() {
		cout << "類B的funcB" << endl;
	}
	virtual void func() {
		cout << "類B的func" << endl;
	}
};
class C :public A，public B {
public:
	virtual void func() {
		cout << "類C的func" << endl;
	}
	virtual void funcC() {
		cout << "類C的funcC" << endl;
	}
};
int main() {
	C c;
	A a;
	system("pause");
	return 0;
}

調(diào)試如下 :

可以看到，派生類繼承了兩張?zhí)摫?，A::func()和B::func()的地址修改為了C:::func()的地址

我們?cè)俅瓮ㄟ^_vfptr的地址，在監(jiān)視窗口可以看到，派生類中新增的虛函數(shù)，虛函數(shù)地址被加在了派生類拷貝基類的第一張?zhí)摫淼暮竺?

多態(tài)的原理

我們回憶一下多態(tài)的兩個(gè)構(gòu)成條件

1.通過指向派生類對(duì)象的基類的指針或引用調(diào)用虛函數(shù)
2. 被調(diào)用的函數(shù)必須是被派生類重寫過的虛函數(shù)

簡(jiǎn)單來說就是，利用了虛函數(shù)可以重寫的特性，當(dāng)一個(gè)有虛函數(shù)的基類有多個(gè)派生類時(shí)，通過各個(gè)派生類對(duì)基類虛函數(shù)的不同重寫，實(shí)現(xiàn)通過指向派生類對(duì)象的基類指針或基類引用調(diào)用同一個(gè)虛函數(shù)，去實(shí)現(xiàn)不同功能的特性. 抽象來說就是，為了完成某個(gè)行為，不同的對(duì)象去完成時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種不同的狀態(tài)