【C++進階】一文吃透靜態綁定、動態綁定與多態底層機制（含虛函數、vptr、thunk、RTTI）

作者：你的C++教練
日期：2025-08-01

---

目錄

1. 靜態綁定 vs 動態綁定
2. 非虛函數的三大坑
3. 多態的四要素
4. 虛析構函數為什么必須寫？
5. 探秘 vptr/vftable 與 thunk
6. RTTI 與 dynamic_cast 的底層真相
7. 虛繼承下的虛表偏移
8. 性能、inline 與構造語義
9. 實戰代碼與匯編級分析

---

---

1?? 靜態綁定 vs 動態綁定

綁定類型	決定時機	典型場景	性能
靜態綁定 (Static Binding)	編譯期	普通成員函數、缺省實參	直接 call，零額外開銷
動態綁定 (Dynamic Binding)	運行期	虛函數通過指針/引用調用	一次 vptr 解引用 + 間接 call

一句話：“指針/引用 + 虛函數”才會觸發動態綁定，否則全是靜態綁定。

---

2?? 非虛函數的三大坑

① 普通函數靜態綁定

struct B { void foo() { puts("B"); } };
struct D : B { void foo() { puts("D"); } };B* p = new D;
p->foo();          // 輸出 B！（靜態綁定）

② 缺省實參靜態綁定

struct B {virtual void f(int x = 1) { cout << x; }
};
struct D : B {void f(int x = 2) override { cout << x; }
};B* p = new D;
p->f();  // 輸出 1！缺省值來自 B 的定義

③ 非虛析構函數 → 內存泄漏

B* p = new D;
delete p;   // 只調 ~B()，~D() 不會被調用

---

3?? 多態的四要素

條件	說明
繼承	存在父子類
虛函數	父類至少一個 virtual
重寫	子類覆蓋父類虛函數
指針/引用	用父類指針/引用指向子類對象

示例：

class A { public: virtual void vf() { puts("A"); } };
class B : public A { void vf() override { puts("B"); } };A* p = new B;
p->vf();   // 動態綁定，輸出 B

---

4?? 為什么必須寫虛析構函數？

Base* p = new Derived;
delete p;  // 只有 ~Base() 是 virtual，才會:

1. 先通過 vptr 找到 Derived::~Derived
2. 執行 ~Derived
3. 自動插入 ~Base()
4. 最終 operator delete 釋放內存

結論：任何可能被繼承的類，析構函數都寫成 virtual。

---

5?? 探秘 vptr / vftable / thunk

對象模型（簡化）

對象地址
├─ vptr ----┐
├─ 成員變量 │
│           │
v           v+--------------+
vftable | &Base::foo   |  <-- 如果未被覆蓋+--------------+| &Derived::bar|+--------------+

thunk 是什么？

• 當用 第二基類指針 指向多重繼承的子對象時，需要調整 this 偏移。
• 編譯器生成一段 匯編樁代碼（thunk）放在虛表中：

  thunk:sub  this, offset   ; 調整 thisjmp  Derived::foo   ; 真正虛函數
  

• 虛表項指向的就是 thunk 地址。

---

6?? RTTI 與 dynamic_cast

if (Derived* d = dynamic_cast<Derived*>(basePtr)) {d->onlyInDerived();
}

實現原理

• 每個有虛函數的類都會在虛表 -1 位置 放 type_info 指針。
• dynamic_cast 通過 vptr[-1] 比較 RTTI 信息，決定轉換是否成功。

---

7?? 虛繼承下的虛表偏移

struct VBase { virtual void vf(); };
struct A : virtual VBase { void vf() override; };

• 虛基類子對象在內存中可能位于 對象尾部。
• vptr 需要 間接尋址 才能找到虛基類中的虛函數，帶來額外一次指針解引用。

---

8?? 性能 & inline 提醒

因素	開銷
虛函數調用	一次額外內存讀取
多重繼承	可能增加 thunk
虛繼承	兩次指針解引用
inline 失敗	遞歸、過大、地址取址都會阻止

建議：性能關鍵路徑避免深度虛繼承，熱點函數盡量 final/inline。

---

9?? 構造語義 & 匯編級分析

偽代碼回顧

C::C() {B::B();               // 基類構造A::A();           // 再基類vptr = A::vftable;vptr = B::vftable;vptr = C::vftable;    // 最終態
}

• 構造期間 對象類型不斷變化，虛表指針逐級覆蓋。
• 析構期間 反向逐級回退，保證 dynamic_cast/typeid 行為正確。

---

🔚 結論速記

規則	口訣
需要多態	“指針引用 + virtual”
析構函數	“能繼承就 virtual”
缺省實參	“靜態綁定，別在虛函數里玩默認值”
RTTI	“至少一個 virtual 才能 dynamic_cast”
性能	“虛函數=一次間接尋址，虛繼承=兩次”