多态与虚函数、虚函数表、对象的内存模型的思考

news2025/1/24 2:12:50

我在这就不详细说多态、虚函数是什么了，简单理解为：

1.基类定义虚函数

2.派生类重定义/重写（override）基类的虚函数

3.基类指针（引用）指向（绑定）到派生类对象

4.基类指针（引用）调用虚函数

就可以实现 基类指针（引用）有多种形态

想通过一个代码案例去进行分析，代码来自C++虚函数表剖析 | Leo的技术分享，下面的图片也是参考的这个文章：

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    virtual void vfunc1() { cout << "A::vfunc1" << endl; }
    virtual void vfunc2() { cout << "A::vfunc2" << endl; }
    void func1() { cout << "A::func1" << endl; }
    void func2() { cout << "A::func2" << endl; }
private:
    int m_data1, m_data2;
};

class B : public A {
public:
    virtual void vfunc1() { cout << "B::vfunc1" << endl; }
    void func1() { cout << "B::func1" << endl; }
private:
    int m_data3;
};

class C: public B {
public:
    virtual void vfunc2() { cout << "C::vfunc2" << endl; }
    void func2() { cout << "C::func2" << endl; }
private:
    int m_data1, m_data4;
};

int main() {
    A a;
    B b;
    C c;
    A* pa = &a;
    A* pb = &b;
    A* pc = &c;
    B* pb2 = &c;

    pa->vfunc1();
    pa->vfunc2();

    pb->vfunc1();
    pb->vfunc2();

    pc->vfunc1();
    pc->vfunc2();

    pb2->vfunc1();
    pb2->vfunc2();

    return 0;
}

输出为：

A::vfunc1
A::vfunc2
B::vfunc1
A::vfunc2
B::vfunc1
C::vfunc2
B::vfunc1
C::vfunc2

首先，只要类中有虚函数（不管是继承的、还是重写的、或者是新建的），都会有虚函数表，而虚函数表存在于类的内存布局中，当类实例化对象的时候，会在对象的内存布局前加上一个虚函数表指针，用来指向虚函数表。

对于上面中的类A，其虚函数表为：（注意，虚函数表是位于类的，而不是某个具体的对象）

虚函数表 A::vtable
-------------------
0: A::vfunc1
1: A::vfunc2

注意，对于非虚函数，其实就是代码段，是类所有的对象共享的，而数据成员是属于某个特定对象的。

所以对于对象a，其内存布局为：

// 基类 A 的内存模型
|-----------------|
|  A::vtable ptr  |  (指向 A::vtable)
|-----------------|
|   m_data1       |
|   m_data2       |
|-----------------|

其中A::vtable ptr为虚函数表指针，指向虚函数表。

接着看类B，虚函数表为：

虚函数表 B::vtable (继承自 A::vtable)
-------------------
0: B::vfunc1
1: A::vfunc2

其中B::vfunc1是类B重写（override）的虚函数，而A::vfunc2是类B继承自类A的，未进行重写。

对于对象b，其内布局为：

// 派生类 B 的内存模型
|-----------------|
|  B::vtable ptr  |  (指向 B::vtable)
|-----------------|
|   m_data1 (A)   |
|   m_data2 (A)   |
|   m_data3 (B)   |
|-----------------|

接着看类C，虚函数表为：

虚函数表 C::vtable (继承自 B::vtable)
-------------------
0: B::vfunc1
1: C::vfunc2

其中C::vfunc2是类重写（override）的虚函数（离C最近的继承->类B），而B::vfunc1是类C继承自类B的，未进行重写。

这里需要注意，不是要把重写的虚函数放到继承的虚函数前，虚函数表内的虚函数指针布局是根据函数申明顺序来的！

对于对象c，其内布局为：

|-----------------|
|  C::vtable ptr  |  (指向 C::vtable)
|-----------------|
|   m_data1(A)    |
|   m_data2(A)    |
|   m_data3(B)    |
|   m_data1(C)    |
|   m_data4(C)    |
|-----------------|

注意C中有2个m_data1，一个继承来自类A，一个为C自己定义的。