c++虚表的调用

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前言

虚表（Virtual Table，简称 vtable）是 C++ 实现运行时多态（动态绑定）的核心机制。下面详细解释虚表的调用过程：

虚表的基本概念

1. 虚表是什么：每个包含虚函数的类都有一个虚表，它是一个函数指针数组，存储该类所有虚函数的地址。

2. 虚指针：每个包含虚函数的类的对象都有一个隐藏的虚指针（vptr），指向该类的虚表。

虚表调用过程

当通过基类指针或引用调用虚函数时，会发生以下步骤：

1. 获取虚指针：通过对象中的 vptr 找到虚表

2. 查找函数地址：在虚表中找到对应的虚函数地址

3. 调用函数：通过函数指针调用实际的函数

class Animal {
public:virtual void speak() = 0;virtual ~Animal() {}
};class Dog : public Animal {
public:void speak() override { cout << "Woof!" << endl; }
};class Cat : public Animal {
public:void speak() override { cout << "Meow!" << endl; }virtual void purr() { cout << "Purr..." << endl; }
};void makeSound(Animal* animal) {animal->speak(); // 动态绑定
}

class Base {
public:virtual void f1() {}virtual void f2() {}int x;
};class Derived : public Base {
public:void f1() override {}virtual void f3() {}int y;
};

虚表结构示例

对于上面的类，虚表结构大致如下：

Derived 对象：
+---------------+  
| vptr          | → Derived 的虚表
+---------------+
| Base::x       |
+---------------+
| Derived::y    |
+---------------+Derived 的虚表：
+---------------+
| Derived::f1() | // 覆盖基类
+---------------+
| Base::f2()    | // 继承基类
+---------------+
| Derived::f3() | // 新增虚函数
+---------------+

1. 虚表的构建规则

• 继承的虚函数：派生类会继承基类虚表中的所有条目

• 重写的虚函数：覆盖对应槽位的函数指针

• 新增的虚函数：追加到虚表末尾

2.虚析构函数的必要性

class Base {
public:~Base() {} // 非虚析构函数
};class Derived : public Base {
public:std::vector<int> data;~Derived() {}
};Base* p = new Derived();
delete p; // 未定义行为！Derived 的析构函数不会被调用

正确做法：基类析构函数应该声明为 virtual。

为什么构造函数不可以是虚函数

构造顺序问题

• 构造函数的主要职责是初始化对象的内存和建立对象的类型信息

• 在构造函数执行之前，对象的内存空间刚刚分配，还没有形成有效的对象

• 虚函数调用依赖于虚表指针(vptr)，而vptr本身需要在构造函数中初始化

1. 对象内存分配后，vptr初始化为0或未定义状态

2. 进入构造函数时，编译器首先初始化vptr指向当前类的虚表

3. 然后才执行构造函数体内的用户代码

4. 在构造函数的成员初始化列表中，vptr已经指向当前类的虚表

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总结

虚表（vtable）是编译器为每个包含虚函数的类生成的静态函数指针数组，存储该类所有虚函数的地址。每个对象通过内部的虚指针（vptr）指向其所属类的虚表。虚表在编译期生成，存放在程序的只读数据段，构造函数不能声明为虚函数，因为在对象构造期间vptr尚未完全初始化。而析构函数通常需要声明为虚函数，以确保通过基类指针删除派生类对象时能正确调用完整的析构链，避免资源泄漏。