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C++中的虚表和虚表指针的原理和示例

news 2025/7/4 5:26:14

一、基本概念

1. 什么是虚函数（virtual function）？

虚函数是用 virtual 关键字修饰的成员函数，支持运行时多态（dynamic polymorphism）。通过基类指针或引用调用派生类重写的函数。

class Base {
public:virtual void speak() { cout << "Base speaking" << endl; }
};

只要类中存在虚函数，编译器就会为该类生成虚表。

2. 什么是虚表（vtable）？

vtable 是一个函数指针数组，用于保存该类的所有虚函数的地址。
每个有虚函数的类有一张虚表。
如果派生类重写了虚函数，虚表中对应的函数指针将被替换为派生类版本。

3. 什么是虚表指针（vptr）？

每个对象中都有一个隐藏成员变量 vptr（虚表指针），指向该对象所属类的虚表。
对象创建时，构造函数会自动设置 vptr 的值。
调用虚函数时，程序会通过 vptr 找到虚表，再通过表中函数指针找到目标函数，最终调用。

二、图解原理（简化示意）

对象结构：          虚表结构（函数地址表）：[对象内存]
+---------+        +------------------+
|  vptr   | -----> | &Derived::speak()|
+---------+        +------------------+

三、示例代码与解析

示例：基类与派生类使用虚函数

#include <iostream>
using namespace std;class Base {
public:virtual void speak() {cout << "Base::speak()" << endl;}
};class Derived : public Base {
public:void speak() override {cout << "Derived::speak()" << endl;}
};int main() {Base* p = new Derived();  // p 的 vptr 指向 Derived 的虚表p->speak();               // 动态绑定，输出 Derived::speak()delete p;return 0;
}

执行过程（底层原理）：

创建 Derived 对象，构造函数自动设置 vptr，指向 Derived 的虚表；
虚表中 speak() 的指针是 &Derived::speak()；
调用 p->speak()，程序先通过 vptr 找到虚表，再调用函数指针，最终运行 Derived::speak()。

四、进一步理解：虚表模拟（伪代码）

下面是 C++ 编译器幕后自动完成的模拟行为：

class Base {void** vptr;  // 隐藏成员：虚表指针static void* vtable_Base[] = { &Base::speak };public:virtual void speak();
};class Derived : public Base {static void* vtable_Derived[] = { &Derived::speak };public:void speak() override;
};

你不会在代码中显式看到 vptr 和 vtable，它们是编译器隐藏实现的。

五、相关细节注意

情况	说明
类没有虚函数	不生成 vtable，不支持运行时多态
虚函数未被重写	虚表中仍然是基类函数指针
多重继承	每个父类一套虚表和一个 vptr
析构函数建议设为 virtual	防止只析构父类对象导致内存泄漏
构造函数中调用虚函数	不会发生多态，vptr 还没完全初始化