虚函数表

虚函数表（vtable，Virtual Table）是 C++ 实现运行时多态的核心机制之一。虚函数表是编译器在处理带有虚函数的类时创建的一个数据结构，主要用于支持动态绑定，即根据对象的实际类型在运行时决定调用哪个函数。这是 C++ 中实现多态的关键。

虚函数表的工作原理

当一个类包含虚函数时，编译器会为该类创建一张虚函数表。虚函数表本质上是一个指针数组，每个元素都是指向该类虚函数的地址。具体来说：

• 虚函数表包含指向该类虚函数的函数指针，当你调用某个虚函数时，程序会通过虚函数表来查找实际要调用的函数实现。

• 每个类有一张虚函数表，类中的每个虚函数在虚函数表中都有一个对应的入口。

• 对于每个包含虚函数的类的对象，编译器会在对象的内存布局中添加一个虚函数表指针（vptr），该指针指向对象所属类的虚函数表。

虚函数表的基本结构

假设有以下类层次结构：

#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;
    }
    void func2() override {
        std::cout << "Derived::func2" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base *b = new Derived();
    b->func1(); // 输出：Derived::func1
    b->func2(); // 输出：Derived::func2
    delete b;
    return 0;
}

在这个例子中，Base 类有两个虚函数 func1 和 func2，派生类 Derived 重写了它们。

虚函数表的内部运作：

1. 类的虚函数表（vtable）：

   • Base 类的虚函数表存储了 Base::func1 和 Base::func2 的地址。

   • Derived 类的虚函数表则存储了 Derived::func1 和 Derived::func2 的地址，分别覆盖了 Base 类的对应函数。

   虚函数表的结构如下：

   Base 类的 vtable	函数地址
   func1	Base::func1
   func2	Base::func2

   Derived 类的 vtable	函数地址
   func1	Derived::func1
   func2	Derived::func2

2. 对象的虚函数表指针（vptr）：

   • 当创建一个 Derived 类的对象时，编译器会在该对象中添加一个指向 Derived 类虚函数表的指针 vptr。

   • 通过 Base *b = new Derived();，指针 b 指向 Derived 对象，而这个对象的 vptr 指向的是 Derived 类的虚函数表，因此调用 func1() 和 func2() 时会根据 vptr 指向的表找到 Derived::func1 和 Derived::func2，并调用它们。

运行时多态的实现：

在调用 b->func1() 时：

• 程序通过 b 的 vptr 找到指向的 Derived 类的虚函数表。

• 在虚函数表中查找 func1 的位置，得到 Derived::func1 的地址并进行调用。

• 类似地，func2 也会调用 Derived::func2。

虚函数表的特点

1. 每个类有一张虚函数表：

   • 每个包含虚函数的类会有自己的虚函数表。

   • 如果一个类没有虚函数，则没有虚函数表，也不会有虚函数表指针。

2. 虚函数表指针（vptr）：

   • 每个对象有一个虚函数表指针 vptr，该指针在对象创建时由构造函数初始化，指向对象所属类的虚函数表。

   • 对象在运行时通过 vptr 指针来查找虚函数的实现。

3. 继承与虚函数表：

   • 派生类会继承基类的虚函数表，并可以覆盖虚函数。如果派生类没有重写基类的虚函数，那么它会直接使用基类的虚函数地址。

   • 如果派生类重写了虚函数，则它会在自己的虚函数表中覆盖相应的条目。

4. 性能开销：

   • 虚函数调用比普通函数调用稍微慢一些，因为每次调用虚函数时，程序需要先通过 vptr 查找虚函数表，然后找到正确的函数指针进行调用。这是一种间接调用。

   • 然而，这种性能损失通常是微不足道的，只有在高性能场景下（如游戏开发、嵌入式系统等）可能会显得重要。

虚函数表的内存布局

一个类的虚函数表是静态存储的，所有对象共享这张表。一个包含虚函数的对象通常内存布局如下：

对象内存布局:
| vptr | object_data |

其中：

• vptr 是一个指向类虚函数表的指针。

• object_data 是对象本身的数据成员。

多继承和虚函数表

C++ 支持多继承，如果一个类继承了多个有虚函数的父类，那么该类可能会有多个虚函数表。例如，假设有两个基类 Base1 和 Base2，它们各自都有虚函数，如果 Derived 类同时继承自 Base1 和 Base2，那么 Derived 类的