C++ 中的虚函数表（vtable）与继承：单继承与多继承的分析

在 C++ 中，虚函数表（vtable）是虚函数实现背后的关键机制。虚函数表允许在运行时实现多态，使得基类指针可以调用派生类的函数。在继承体系中，虚函数表的构建方式会随着单继承和多继承的不同情况而有所变化。

本文将详细分析在单继承与多继承下虚表的行为，并通过示例代码帮助大家更好地理解这一概念。

单继承下的虚函数表

在单继承的场景下，虚函数表的结构相对简单。派生类继承基类的虚表，如果派生类覆盖了基类的某个虚函数，派生类的虚函数地址会替换掉虚表中的对应位置。如果没有覆盖，虚表继续保留基类中的虚函数地址。

示例代码：

#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; }
};

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

分析：

在这个例子中，Derived 类覆盖了 Base 类的 func1() 函数，因此 Derived::func1 的地址替换了虚表中 Base::func1 的地址。然而，func2() 没有被覆盖，因此它的虚表条目仍然指向 Base::func2。

多继承下的虚函数表

在多继承的情况下，每个基类都有自己的虚函数表。派生类的虚函数表由多个基类的虚表组成，派生类覆盖的虚函数会替换对应基类的虚表条目。

示例代码：

#include <iostream>

class Base1 {
public:
    virtual void func1() { std::cout << "Base1::func1" << std::endl; }
};

class Base2 {
public:
    virtual void func2() { std::cout << "Base2::func2" << std::endl; }
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    void func1() override { std::cout << "Derived::func1" << std::endl; }
    void func2() override { std::cout << "Derived::func2" << std::endl; }
};

int main() {
    Derived* obj = new Derived();
    Base1* b1 = obj;
    Base2* b2 = obj;

    b1->func1();  // 输出：Derived::func1
    b2->func2();  // 输出：Derived::func2

    return 0;
}

分析：

在多继承的场景下，Derived 类同时继承了 Base1 和 Base2，并且覆盖了两个基类的虚函数。因此，Base1 和 Base2 各自的虚表中的相应条目被 Derived 中的虚函数地址替换。

每个基类维护自己的虚表，并且 Derived 类会根据继承顺序将虚函数存储在相应基类的虚表中。

虚函数表的布局

单继承时虚函数表的布局：

Base:
+------------+
| Base::func1|
| Base::func2|
+------------+

Derived (继承自 Base):
+------------+
| Derived::func1 |  // 覆盖了 Base::func1
| Base::func2    |  // 没有覆盖，继续使用 Base::func2
+------------+

多继承时虚函数表的布局：

Base1:
+------------+
| Base1::func1 |
+------------+

Base2:
+------------+
| Base2::func2 |
+------------+

Derived (继承自 Base1 和 Base2):
Base1's vtable:
+------------+
| Derived::func1 |  // 覆盖了 Base1::func1
+------------+

Base2's vtable:
+------------+
| Derived::func2 |  // 覆盖了 Base2::func2
+------------+

总结

通过本文的分析，我们可以总结出以下几点：

1. 在单继承中，派生类的虚表继承自基类，并且派生类覆盖的虚函数地址会替换基类虚表中的对应条目。
2. 在多继承中，每个基类有自己独立的虚表。派生类覆盖的虚函数会替换对应基类虚表中的函数地址。
3. 虚表中的函数按照声明顺序存放，基类的虚函数优先存放在表中，派生类的虚函数则替换相应位置或附加到表中。

理解虚函数表的工作原理有助于我们优化和设计 C++ 多态结构，避免潜在的二义性和继承关系中的复杂性。