C++ 中的虚函数和多态是如何实现的？

C++ 虚函数与多态的实现机制

总结性回答

C++ 中的虚函数和多态主要通过虚函数表(vtable)和虚指针(vptr)机制实现。当类中包含虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表，其中存储了该类所有虚函数的地址。每个对象会包含一个指向该表的虚指针。通过这种间接调用机制，实现了运行时的多态行为。

详细解释

1. 虚函数表(vtable)机制

• 每个包含虚函数的类都有一个虚函数表
• 虚函数表是一个函数指针数组，存储了该类所有虚函数的地址
• 虚函数表在编译时生成，存放在程序的只读数据段
• 派生类会继承基类的虚函数表，并可以覆盖其中的函数指针

2. 虚指针(vptr)机制

• 每个包含虚函数的类的对象都有一个隐藏的虚指针成员
• 虚指针指向该对象所属类的虚函数表
• 虚指针在对象构造时被初始化，指向正确的虚函数表

3. 多态调用过程

当通过基类指针或引用调用虚函数时：

1. 通过对象的虚指针找到虚函数表
2. 在虚函数表中查找对应的函数指针
3. 通过函数指针调用实际的函数实现

这种间接调用机制使得：

• 基类指针可以调用派生类的实现
• 调用哪个函数在运行时决定(动态绑定)
• 实现了"一个接口，多种实现"的多态特性

4. 内存布局示例

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

class Derived : public Base {
public:
    void func1() override {}
    virtual void func3() {}
    int derived_data;
};

5. 性能考虑

虚函数调用比普通函数调用多一次间接寻址，会有轻微的性能开销：

• 需要读取虚指针
• 需要读取虚函数表
• 然后才能跳转到实际函数

但在现代CPU上，这种开销通常很小，且分支预测能很好处理这种情况。