虚表和虚表指针 详解

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📚 虚表（Virtual Table）和虚表指针（vptr）是C++中实现多态性的重要机制。它们通过动态绑定（或运行时多态性）实现了在基类指针或引用下调用派生类的虚函数。

目录

虚函数（Virtual Function）

虚函数表（Virtual Table，VTABLE）

虚表指针（vptr）

虚表和虚表指针工作原理

虚函数（Virtual Function）

虚函数是在基类中声明为 virtual 的成员函数。在派生类中可以根据需要进行重写（override）。它允许在运行时动态地确定调用哪个版本的函数，这是实现多态性的一种关键机制。

虚函数表（Virtual Table，VTABLE）

虚表是每个包含虚函数的类的静态成员之一，它存储了类的虚函数的地址。每个类有一个对应的虚表，其中的每个条目是一个指向相应虚函数的指针。当类被定义时，编译器会在其虚表中生成对应的虚函数条目。

虚表指针（vptr）

 虚表指针是一个隐藏的指针，存在于每个包含虚函数的类的对象中。它指向该类的虚函数表(虚表)。当调用一个虚函数时，实际上是通过对象的虚表指针找到对应的虚表，然后根据函数的偏移量来调用正确的函数。

虚表和虚表指针工作原理

🎯 通过示意图来更好地理解虚表和虚表指针的概念，有 Base 类和 Derived 类：

Base 类对象内存布局： +--------------+ | vptr (Base) | --> 指向 Base 类的虚表 +--------------+ | Base 类的数据 | +--------------+ Derived 类对象内存布局： +----------------+ | vptr (Derived) | --> 指向 Derived 类的虚表 +----------------+ | Derived 类的数据 | +----------------+ 

每个对象的开头都有一个虚表指针。这个指针指向其对应的类的虚表。例如，Base 类对象的虚表指针指向 Base 类的虚表，而 Derived 类对象的虚表指针则指向 Derived 类的虚表。

🎯 通过简单的示例代码，演示如何利用虚表和虚表指针实现动态多态性；

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; } }; int main() { Base* basePtr; Derived derivedObj; basePtr = &derivedObj; // 虚函数的调用 basePtr->func1(); // 输出 "Derived::func1()" basePtr->func2(); // 输出 "Base::func2()" return 0; } 

当编译器在编译的时候会分别为类Base和类Derived 创建属于各自类的虚函数表。并Derived 当创建父类指针指向对象的时候，会初始化vptr指针，指向该对象所属类的虚函数表。

通过指向子类对象的父类指针，调用成员函数时，会先判断是否为virtual 虚函数，如果是虚函数的话，会通过vptr访问对应的类虚函数表中所存放的成员函数指针。依次实现多态。

🎯 结合示例，总结工作过程。

虚函数声明与重写：

在基类中，如果一个函数被声明为虚函数（使用 virtual 关键字），它可以被派生类重写。

虚表的构建：

每个类的虚函数表在编译时构建。虚表中的每个条目存储了对应虚函数的地址，这些地址是相对于类的基址的偏移量。

虚表指针的初始化与使用：

当创建一个对象时，如果该对象所属的类有虚函数，编译器会在对象的内存布局中插入一个虚表指针。这个指针被初始化为指向该类的虚表的地址。

动态绑定：

当调用一个虚函数时，实际被调用的函数取决于对象的实际类型（而不是引用或指针的静态类型）。这是因为编译器会通过对象的虚表指针来查找对应的虚表，然后根据虚函数的偏移量来调用正确的函数实现。

🔥 虚表和虚表指针区别：

虚表属于类，虚表指针属于对象。