C++虚函数表（虚表Virtual Table，简称vtable、VFT）（编译器为支持运行时多态（动态绑定）而自动生成的一种内部数据结构）虚函数指针vptr

C++中的 虚函数表（Virtual Table，简称 vtable）是编译器为支持 运行时多态（动态绑定）而自动生成的一种内部数据结构。它的核心作用是通过 虚函数指针（vptr）和虚函数表的配合，实现基类指针或引用调用派生类重写函数的能力。

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1. 虚函数表的核心概念

- 虚函数表（vtable）：

每个包含虚函数的类都会有一个虚函数表。这个表是一个指针数组，存储了该类所有虚函数的地址。例如：

• 如果一个类有3个虚函数，虚函数表就包含3个指针，分别指向这3个函数的实现。
• 如果派生类重写了某个虚函数，派生类虚函数表中对应位置的指针会被替换为派生类的函数地址。

- 虚函数指针（vptr）：

每个包含虚函数的对象在内存中会隐式地包含一个指针（vptr），指向该对象所属类的虚函数表。

• vptr通常位于对象内存布局的最前面（具体位置可能因编译器而异）。
• 当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会通过vptr查找虚函数表，找到正确的函数地址并执行。

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2. 虚函数表的生成与工作流程

生成时机

- 当一个类中至少有一个虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表。

- 派生类继承虚函数表：

• 如果派生类没有重写基类的虚函数，则虚函数表中直接继承基类的虚函数地址。
• 如果派生类重写了某个虚函数，则虚函数表中对应位置的指针会被更新为派生类的函数地址。

调用流程

1. 对象创建时：

编译器会自动初始化对象的vptr，使其指向该类的虚函数表。

2. 调用虚函数时：

• 程序通过对象的vptr找到虚函数表。
• 根据虚函数表中的索引（与函数声明顺序一致）找到对应的函数地址。
• 调用该地址指向的函数（可能是基类或派生类的实现）。

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3. 示例代码解析

- 以下代码展示了虚函数表的工作原理

#include <iostream>
using namespace std;class Base {
public:virtual void func() { cout << "Base::func()" << endl; }
};class Derived : public Base {
public:void func() override { cout << "Derived::func()" << endl; }
};int main() {Base* ptr = new Derived();ptr->func();  // 输出 "Derived::func()"delete ptr;return 0;
}

- 虚函数表的生成：

• Base类有一个虚函数func()，因此编译器为Base生成一个虚函数表，表中存储Base::func()的地址。
• Derived类重写了func()，因此编译器为Derived生成一个新的虚函数表，表中存储Derived::func()的地址。

- 调用过程：

• ptr是Base*类型，但指向Derived对象。
• 调用ptr->func()时，程序通过Derived对象的vptr找到Derived的虚函数表，调用Derived::func()。

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4. 虚函数表的内存布局

- 以一个简单的类为例

class Base {
public:virtual void func1() {}virtual void func2() {}
};

- 对象内存布局：

每个Base对象的内存布局如下：

[vptr] -> 指向Base的虚函数表
[其他成员变量]

- 虚函数表结构：

Base的虚函数表:
+-----------------+
| func1() 的地址  |
+-----------------+
| func2() 的地址  |
+-----------------+

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5. 虚函数表的注意事项

1. 性能开销：

• 调用虚函数需要通过两次间接寻址（vptr → 虚函数表 → 函数地址），比直接调用普通函数稍慢。
• 每个对象需要额外存储一个vptr，增加了内存占用。

2. 纯虚函数与抽象类：

• 如果类中包含纯虚函数（virtual void func() = 0;），则该类为抽象类，不能实例化对象。
• 纯虚函数在虚函数表中通常用特殊标记（如NULL）表示。

3. 多继承与虚函数表：

• 多继承情况下，对象可能包含多个vptr，分别指向不同基类的虚函数表。
• 虚函数表的管理会更复杂，但核心原理与单继承相同。

4. 编译器相关：

• 虚函数表是编译器的实现细节，C++标准未规定具体实现方式。主流编译器（如GCC、MSVC）均采用类似机制。

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6. 虚函数调用流程图

以下是虚函数调用的完整流程：

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7. 总结

虚函数表是C++实现运行时多态的核心机制。通过虚函数表和虚函数指针的配合，C++能够在运行时根据对象的实际类型动态选择正确的函数实现。这种机制虽然带来了一定的性能和内存开销，但极大地增强了代码的灵活性和可扩展性，是面向对象编程中多态特性的基石。