在 C++ 中，調用基類的純虛函數實際上是通過運行時多態性來決定調用哪一個派生類的實現。這種機制是通過虛函數表（vtable）和虛函數指針（vptr）實現的。下面我們來詳細探討一下這個過程。

虛函數表和虛函數指針

1. 虛函數表（vtable）:

   • 每個包含虛函數的類（包括純虛函數）都會有一個虛函數表。虛函數表是一個指針數組，每個指針指向類的虛函數的具體實現。
   • 虛函數表是編譯器在編譯時生成的，并且對于同一個類的所有對象是共享的。

2. 虛函數指針（vptr）:

   • 每個對象有一個指向其類的虛函數表的指針，稱為虛函數指針（vptr）。
   • 當一個對象被創建時，其 vptr 被初始化為指向該對象所屬類的虛函數表。

當調用一個虛函數時，程序會通過對象的 vptr 找到相應的 vtable，并在 vtable 中找到該函數的地址，然后進行調用。這種機制允許程序在運行時根據對象的實際類型調用適當的函數實現，這就是多態性。

調用純虛函數的過程

假設你有一個基類 Base 和幾個派生類 Derived1 和 Derived2，基類 Base 定義了一個純虛函數 doSomething。以下是如何知道調用哪個派生類實現的步驟：

對于 obj2->doSomething()，類似的過程會發生，但它的 vptr 指向 Derived2 的 vtable，最終調用 Derived2 中 doSomething 的實現。

運行時確定派生類的實現

這是因為 C++ 的多態性允許基類指針（或引用）指向派生類對象。調用虛函數時，實際調用的函數實現是通過對象的動態類型（即它真正的派生類類型）來確定的。這種類型是在運行時決定的，而不是編譯時。

代碼示例

下面是一個完整的代碼示例，展示了上述過程：

1. 定義類和函數:

   class Base {
   public:virtual void doSomething() = 0; // 純虛函數
   };class Derived1 : public Base {
   public:void doSomething() override {std::cout << "Derived1 implementation" << std::endl;}
   };class Derived2 : public Base {
   public:void doSomething() override {std::cout << "Derived2 implementation" << std::endl;}
   };
   

2. 實例化派生類對象:

   Base* obj1 = new Derived1();
   Base* obj2 = new Derived2();
   

3. 調用虛函數:

   obj1->doSomething(); // 調用 Derived1 的實現
   obj2->doSomething(); // 調用 Derived2 的實現
   

?

決定調用哪個派生類實現的過程

當你調用 obj1->doSomething() 時，以下過程發生：

1. 查找 vptr:

   • obj1 是指向 Derived1 對象的基類指針。
   • 程序通過 obj1 找到它的 vptr，該 vptr 指向 Derived1 的 vtable。

2. 查找 vtable:

   • 程序查找 Derived1 的 vtable，這個表包含 doSomething 的地址。

3. 調用函數:

   • 程序通過 vtable 獲取 doSomething 的地址，然后調用這個地址處的函數，即 Derived1 中 doSomething 的實現。

對于 obj2->doSomething()，類似的過程會發生，但它的 vptr 指向 Derived2 的 vtable，最終調用 Derived2 中 doSomething 的實現。

運行時確定派生類的實現

這是因為 C++ 的多態性允許基類指針（或引用）指向派生類對象。調用虛函數時，實際調用的函數實現是通過對象的動態類型（即它真正的派生類類型）來確定的。這種類型是在運行時決定的，而不是編譯時。

代碼示例

下面是一個完整的代碼示例，展示了上述過程：

#include <iostream>class Base {
public:virtual void doSomething() = 0; // 純虛函數
};class Derived1 : public Base {
public:void doSomething() override {std::cout << "Derived1 implementation" << std::endl;}
};class Derived2 : public Base {
public:void doSomething() override {std::cout << "Derived2 implementation" << std::endl;}
};int main() {Base* obj1 = new Derived1();Base* obj2 = new Derived2();obj1->doSomething(); // 輸出: Derived1 implementationobj2->doSomething(); // 輸出: Derived2 implementationdelete obj1;delete obj2;return 0;
}

在這個示例中，通過基類指針調用 doSomething 時，程序根據實際的派生類類型調用相應的實現，這展示了 C++ 中的運行時多態性。

通過調試查看

如果你使用調試器（如 gdb），你可以在調用虛函數前設置斷點，并逐步查看調用過程。你會看到程序通過 vptr 查找 vtable，然后調用適當的函數實現。這是驗證多態行為的一個好方法。

總結

• vptr 和 vtable: vptr 指向對象的 vtable，通過它們在運行時決定調用哪個派生類的實現。
• 多態性: 基類指針或引用調用虛函數時，實際調用的是派生類的實現，這通過動態綁定實現。
• 調試和分析: 使用調試器可以更深入地觀察這種運行時行為。