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一、虚函数（Virtual Function）的概念
1.1 虚函数的定义
- 虚函数是通过
virtual关键字声明的成员函数，允许在派生类中重写（覆盖）基类的实现。 - 核心作用：实现运行时多态（动态绑定），即通过基类指针或引用调用派生类的重写函数。
class Base {
public:
virtual void func() { cout << "Base::func" << endl; } // 虚函数
};
class Derived : public Base {
public:
void func() override { cout << "Derived::func" << endl; } // 重写虚函数
};二、虚函数表（Virtual Table）的工作原理
2.1 虚函数表的基本结构
- **虚函数表（vtable）**是编译器为每个包含虚函数的类生成的一个静态数组。
- 虚函数表项：每个虚函数表项存储一个指向虚函数的函数指针。
- 虚函数表的生成规则：
- 每个类（包括派生类）都有自己的虚函数表。
- 如果派生类重写了基类的虚函数，则虚函数表中对应的函数指针会被更新为派生类的实现。
- 如果派生类没有重写某个虚函数，则虚函数表中保留基类的函数指针。
class Base {
public:
virtual void func1() {}
virtual void func2() {}
};
class Derived : public Base {
public:
void func1() override {} // 重写 func1
// func2 未重写
};虚函数表示例：
Base的虚函数表：[Base::func1, Base::func2]Derived的虚函数表：[Derived::func1, Base::func2]
2.2 虚函数指针（vptr）
- **虚函数指针（vptr）**是编译器自动添加到每个对象的隐藏指针。
- 作用：指向对象所属类的虚函数表。
- 特点：
- 在对象构造时初始化。
- 在继承链中被继承，指向当前类的虚函数表。
Base* b = new Derived(); // b->vptr 指向 Derived 的虚函数表
b->func1(); // 动态绑定到 Derived::func1三、虚函数的调用流程
3.1 调用步骤
- 获取虚函数指针：通过对象的
vptr找到虚函数表。 - 查找虚函数表项：根据函数在虚函数表中的偏移量（索引）找到对应的函数指针。
- 调用函数：通过函数指针跳转到实际的函数实现。
示意图：
对象内存布局：
+----------------+
| vptr | --> 虚函数表地址
+----------------+
| 其他成员变量 |
+----------------+
虚函数表：
+----------------+
| &Derived::func1| --> 函数指针
+----------------+
| &Base::func2 | --> 函数指针
+----------------+四、虚函数与多态的关系
4.1 多态的实现条件
- 前提条件：
- 基类中声明虚函数。
- 派生类重写虚函数。
- 通过基类指针或引用调用虚函数。
Base* ptr = new Derived();
ptr->func(); // 动态绑定到 Derived::func4.2 静态绑定 vs 动态绑定
- 静态绑定（早期绑定）：在编译时确定函数调用（普通函数）。
- 动态绑定（晚期绑定）：在运行时通过虚函数表确定函数调用（虚函数）。
五、虚函数的注意事项
5.1 性能开销
- 调用成本：虚函数调用需要两次间接寻址（
vptr→ 虚函数表 → 函数地址），比普通函数稍慢。 - 内存占用：每个对象需要额外存储一个
vptr（通常为 4 或 8 字节）。
5.2 纯虚函数与抽象类
- 纯虚函数：声明为
virtual void func() = 0;的虚函数。 - 抽象类：包含至少一个纯虚函数的类，不能实例化对象。
- 作用：强制派生类实现接口。
class AbstractBase {
public:
virtual void pureFunc() = 0; // 纯虚函数
};
class Concrete : public AbstractBase {
public:
void pureFunc() override { /* 实现 */ }
};5.3 构造函数与虚函数
- 构造函数中的虚函数调用：在构造函数中调用虚函数时，调用的是当前正在构造的类的版本（而非派生类的版本）。
- 原因：构造函数执行时，对象尚未完全构造完成，
vptr指向当前类的虚函数表。
class Base {
public:
Base() { func(); } // 调用 Base::func
virtual void func() { cout << "Base::func" << endl; }
};
class Derived : public Base {
public:
Derived() { func(); } // 调用 Derived::func
void func() override { cout << "Derived::func" << endl; }
};
// 输出：
// Base::func (在 Base 构造函数中)
// Derived::func (在 Derived 构造函数中)六、多继承与虚函数表
6.1 多继承下的虚函数表
- 每个基类的虚函数表独立存在：派生类会继承多个基类的虚函数表。
- 虚函数表的数量：取决于继承的基类数量（每个基类生成一个虚函数表）。
class Base1 {
public:
virtual void func1() {}
};
class Base2 {
public:
virtual void func2() {}
};
class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
void func1() override {}
void func2() override {}
};虚函数表结构：
Base1的虚函数表：[Base1::func1]Base2的虚函数表：[Base2::func2]Derived的虚函数表：Base1部分：[Derived::func1]Base2部分：[Derived::func2]
6.2 菱形继承问题与虚继承
- 菱形继承问题：两个基类继承自同一个祖先类，派生类中会有多个祖先类的副本。
- 解决方案：使用 虚继承（
virtual关键字）共享祖先类。
class A {};
class B : virtual public A {};
class C : virtual public A {};
class D : public B, public C {};虚继承的虚函数表：
- 共享的祖先类
A只生成一份虚函数表，避免冗余。
七、虚函数表的调试与查看
7.1 使用调试工具查看虚函数表
- GDB 命令：
info vtbl <对象>查看虚函数表。 - LLDB 命令：
x/4wx <对象地址>查看内存中的虚函数表指针。
7.2 代码示例
#include <iostream>
using namespace std;
class Base {
public:
virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
};
class Derived : public Base {
public:
void func1() override { cout << "Derived::func1" << endl; }
};
int main() {
Base* b = new Derived();
b->func1(); // 输出 Derived::func1
b->func2(); // 输出 Base::func2
return 0;
}调试输出：
Base::func1 (Derived::func1)
Base::func2 (Base::func2)八、总结
8.1 核心要点
- 虚函数是实现运行时多态的核心机制。
- 虚函数表是编译器为每个类生成的静态数组，存储虚函数的地址。
- 虚函数指针（
vptr）是对象的隐藏指针，指向虚函数表。 - 多继承下，对象可能包含多个虚函数表，虚继承可解决菱形继承问题。
8.2 设计建议
- 优先使用虚函数：当需要动态绑定时，使用虚函数。
- 避免过度使用虚函数：普通函数的调用效率更高。
- 合理设计抽象类：使用纯虚函数定义接口，强制派生类实现。