C++中的 虛函數表（Virtual Table，簡稱 vtable）是編譯器為支持 運行時多態（動態綁定）而自動生成的一種內部數據結構。它的核心作用是通過 虛函數指針（vptr）和虛函數表的配合，實現基類指針或引用調用派生類重寫函數的能力。

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1. 虛函數表的核心概念

- 虛函數表（vtable）：

每個包含虛函數的類都會有一個虛函數表。這個表是一個指針數組，存儲了該類所有虛函數的地址。例如：

• 如果一個類有3個虛函數，虛函數表就包含3個指針，分別指向這3個函數的實現。
• 如果派生類重寫了某個虛函數，派生類虛函數表中對應位置的指針會被替換為派生類的函數地址。

- 虛函數指針（vptr）：

每個包含虛函數的對象在內存中會隱式地包含一個指針（vptr），指向該對象所屬類的虛函數表。

• vptr通常位于對象內存布局的最前面（具體位置可能因編譯器而異）。
• 當通過基類指針或引用調用虛函數時，程序會通過vptr查找虛函數表，找到正確的函數地址并執行。

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2. 虛函數表的生成與工作流程

生成時機

- 當一個類中至少有一個虛函數時，編譯器會為該類生成一個虛函數表。

- 派生類繼承虛函數表：

• 如果派生類沒有重寫基類的虛函數，則虛函數表中直接繼承基類的虛函數地址。
• 如果派生類重寫了某個虛函數，則虛函數表中對應位置的指針會被更新為派生類的函數地址。

調用流程

1. 對象創建時：

編譯器會自動初始化對象的vptr，使其指向該類的虛函數表。

2. 調用虛函數時：

• 程序通過對象的vptr找到虛函數表。
• 根據虛函數表中的索引（與函數聲明順序一致）找到對應的函數地址。
• 調用該地址指向的函數（可能是基類或派生類的實現）。

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3. 示例代碼解析

- 以下代碼展示了虛函數表的工作原理

#include <iostream>
using namespace std;class Base {
public:virtual void func() { cout << "Base::func()" << endl; }
};class Derived : public Base {
public:void func() override { cout << "Derived::func()" << endl; }
};int main() {Base* ptr = new Derived();ptr->func();  // 輸出 "Derived::func()"delete ptr;return 0;
}

- 虛函數表的生成：

• Base類有一個虛函數func()，因此編譯器為Base生成一個虛函數表，表中存儲Base::func()的地址。
• Derived類重寫了func()，因此編譯器為Derived生成一個新的虛函數表，表中存儲Derived::func()的地址。

- 調用過程：

• ptr是Base*類型，但指向Derived對象。
• 調用ptr->func()時，程序通過Derived對象的vptr找到Derived的虛函數表，調用Derived::func()。

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4. 虛函數表的內存布局

- 以一個簡單的類為例

class Base {
public:virtual void func1() {}virtual void func2() {}
};

- 對象內存布局：

每個Base對象的內存布局如下：

[vptr] -> 指向Base的虛函數表
[其他成員變量]

- 虛函數表結構：

Base的虛函數表:
+-----------------+
| func1() 的地址  |
+-----------------+
| func2() 的地址  |
+-----------------+

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5. 虛函數表的注意事項

1. 性能開銷：

• 調用虛函數需要通過兩次間接尋址（vptr → 虛函數表 → 函數地址），比直接調用普通函數稍慢。
• 每個對象需要額外存儲一個vptr，增加了內存占用。

2. 純虛函數與抽象類：

• 如果類中包含純虛函數（virtual void func() = 0;），則該類為抽象類，不能實例化對象。
• 純虛函數在虛函數表中通常用特殊標記（如NULL）表示。

3. 多繼承與虛函數表：

• 多繼承情況下，對象可能包含多個vptr，分別指向不同基類的虛函數表。
• 虛函數表的管理會更復雜，但核心原理與單繼承相同。

4. 編譯器相關：

• 虛函數表是編譯器的實現細節，C++標準未規定具體實現方式。主流編譯器（如GCC、MSVC）均采用類似機制。

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6. 虛函數調用流程圖

以下是虛函數調用的完整流程：

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7. 總結

虛函數表是C++實現運行時多態的核心機制。通過虛函數表和虛函數指針的配合，C++能夠在運行時根據對象的實際類型動態選擇正確的函數實現。這種機制雖然帶來了一定的性能和內存開銷，但極大地增強了代碼的靈活性和可擴展性，是面向對象編程中多態特性的基石。