C++面试基础系列-C++虚函数vptr_vtable

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Overview

1.简单介绍

在 C++ 中，虚函数的实现细节涉及到虚表指针（vptr）和虚表（vtable）。这些是编译器用来实现运行时多态性的机制。以下是关于 vptr 和 vtable 的一些关键点：

1.1.vptr（虚表指针）

vptr 是一个指针，存储在对象的内存布局中，指向该对象的虚表。
每个包含虚函数的类都有自己的虚表。
vptr 的位置和大小可能因编译器而异，但通常位于对象的内存布局的开始处。
vptr 的存在是透明的，程序员不需要（也不应该）直接操作它。

1.2.vtable（虚表）

vtable 是一个表格，包含了类中所有虚函数的地址。
每个类都有自己的 vtable，它包含了该类所有虚函数的指针。
当你调用一个虚函数时，程序会查找对象的 vptr 指向的 vtable，然后在表中查找正确的函数地址来执行。

1.3.工作原理

构造对象：当创建一个对象时，编译器会在对象的内存中安排 vptr 和类的成员变量。
调用虚函数：当通过对象调用虚函数时，程序会先访问对象的 vptr，然后查找 vtable 中对应的函数地址。
多态性：如果对象是派生类实例，但通过基类指针或引用调用，vtable 会确保调用正确的函数实现，即使基类指针或引用的静态类型不知道实际对象的动态类型。

1.4.示例

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class Base {
public:
    virtual void func() { std::cout << "Base::func" << std::endl; }
    virtual ~Base() {}
};

class Derived : public Base {
public:
    void func() override { std::cout << "Derived::func" << std::endl; }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();
    basePtr->func(); // 调用 Derived::func，展示了多态性

    delete basePtr;
    return 0;
}

在这个示例中，Base 类和 Derived 类都有自己的 vtable。Derived 类的 vtable 覆盖了 Base 类的 vtable 中的 func 条目。当通过 Base 类型的指针调用 func 时，实际调用的是 Derived 类的 func 函数。

1.5.注意事项

不要直接操作 vptr 或 vtable，它们是编译器实现细节。
虚函数的使用可能会影响程序的性能，因为它们引入了间接调用。
当类中有虚函数时，复制或移动操作可能需要特别处理，以确保 vptr 正确设置。

vptr 和 vtable 是 C++ 实现多态性的核心机制，它们使得程序能够在运行时确定调用哪个函数实现。

在 C++ 中，vptr（虚表指针）和 vtable（虚表）是实现多态性机制的底层技术。下面将更详细地介绍它们的工作原理和相关概念：

2.强化认识

2.1.vtable（虚表）

结构：vtable 是一个或多个函数指针的数组。每个包含虚函数的类都有自己的 vtable。
布局：vtable 通常按照类中虚函数的声明顺序排列，每个条目对应一个虚函数的地址。
继承：当一个类继承自另一个类时，它的 vtable 会包含基类 vtable 的引用以及它自己新增的虚函数的地址。
动态绑定：vtable 用于在运行时确定应该调用哪个函数。当调用一个虚函数时，程序会查找对象的 vptr 指向的 vtable，然后根据虚函数的声明顺序找到对应的函数地址。

例子：

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class Base {
public:
    virtual void func1() { std::cout << "Base func1" << std::endl; }
    virtual void func2() { std::cout << "Base func2" << std::endl; }
};

在这个例子中，Base 类的 vtable 可能包含两个条目，每个条目指向 func1 和 func2 的实现。

2.2.vptr（虚表指针）

存储：vptr 是一个指针，通常存储在对象的内存布局的最前面。
作用：vptr 指向对象的 vtable，它用于访问类的虚函数。
隐藏性：vptr 对程序员是透明的，由编译器自动管理。
继承：在多重继承情况下，对象可能包含多个 vptr，每个 vptr 对应一个基类的 vtable。
例子：
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Base obj;
在这个例子中，obj 的内存布局中会包含一个指向 Base 类 vtable 的 vptr。

2.3.多态性实现

基类指针：当使用基类指针指向派生类对象时，通过基类指针调用虚函数，实际调用的是派生类版本的函数。
构造和析构：在构造派生类对象时，会先构造基类部分，设置 vptr 指向正确的 vtable，然后再构造派生类新增的部分。在析构时，顺序相反。
例子：
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Base* basePtr = new Derived(); basePtr->func1(); // 调用 Derived::func1 delete basePtr;
在这个例子中，通过 Base 类型的指针 basePtr 调用 func1，实际执行的是 Derived 类重写的 func1 函数。

2.4.性能考虑

间接调用：由于虚函数的调用需要通过 vptr 和 vtable，可能会引入一些性能开销。
优化：现代编译器和优化器会使用诸如内联函数、虚函数表优化等技术来减少这些开销。

2.5.内存布局

对象内存：对象的内存布局首先包含 vptr，然后是类的成员变量。
多重继承：在多重继承情况下，对象的内存布局可能包含多个 vptr，每个对应一个基类的 vtable。

2.6.注意事项

虚函数不能是静态的（static）或常量（const）成员函数。
虚函数的声明必须使用 virtual 关键字，而重写虚函数时可以使用 override 关键字来提高代码可读性。
理解 vptr 和 vtable 有助于深入学习 C++ 的内存管理和多态性机制。

通过深入理解 vptr 和 vtable，你可以更好地掌握 C++ 的多态性机制，编写出更高效、更安全的面向对象代码。

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