多态通过虚函数表和虚指针实现。1. 编译器为含虚函数的类生成虚函数表,存储虚函数地址;2. 每个对象包含指向虚表的指针vptr;3. 派生类重写虚函数时,其虚表中对应项更新为新函数地址;4. 调用时通过vptr查找虚表,动态绑定到实际函数,实现运行时多态。
多态性是C++面向对象编程的核心特性之一,它允许通过基类指针或引用调用派生类的函数。这种机制的底层实现依赖于虚函数表(vtable)和虚函数指针(vptr)。下面详细解析这一机制是如何工作的。
虚函数表的基本结构
当一个类中声明了虚函数,编译器就会为该类生成一个虚函数表。这个表本质上是一个函数指针数组,存储了该类所有虚函数的实际地址。
每个包含虚函数的类都有自己的虚函数表。派生类如果重写了基类的虚函数,那么它的虚函数表中对应项会被更新为派生类函数的地址;如果没有重写,则沿用基类的函数地址。
例如:
class Base {
public:
virtual void func() { cout
};
class Derived : public Base {
public:
void func() override { cout
};
此时,Base类的vtable指向Base::func,而Derived类的vtable指向Derived::func。
对象中的虚函数指针(vptr)
每个含有虚函数的对象在内存中都会被编译器悄悄插入一个指针——vptr,它指向该对象所属类的虚函数表。
vptr在构造对象时由构造函数自动初始化。派生类对象构造时,先调用基类构造函数,此时vptr指向基类的vtable;构造完成后,vptr被更新为指向派生类的vtable。
这确保了即使通过基类指针访问对象,也能正确调用派生类的函数。
多态调用的过程
当通过基类指针调用虚函数时,实际执行过程如下:
- 首先通过对象的vptr找到其类的虚函数表
- 然后在虚函数表中查找对应函数的地址
- 最后跳转到该地址执行函数
这个过程是运行时动态决定的,因此实现了动态绑定。
例如:
Base* ptr = new Derived();
ptr->func(); // 调用Derived::func
虽然ptr是Base类型指针,但由于func是虚函数,系统会根据ptr所指对象的实际类型(Derived)去查vtable,从而调用正确的函数。
虚函数表机制的关键点
理解虚函数表机制需要注意几个细节:
- 虚函数表在编译期生成,每个类一份,存放在只读数据段
- vptr是每个对象的一部分,占用一个指针大小的内存(通常8字节)
- 构造函数和析构函数中调用虚函数时,vptr可能还未完全设置,需特别注意行为
- 多重继承时,对象可能包含多个vptr,分别对应不同基类
基本上就这些。虚函数表机制虽然对程序员透明,但理解它有助于写出更高效的代码,也能更好把握多态背后的运行逻辑。不复杂但容易忽略。
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