C++虚函数与类对象模型深度解析

目录

1. 引言

2. 单继承下的虚函数表

2.1 基本概念

2.2 示例分析

3. 多重继承下的虚函数表

3.1 基本概念

3.2 示例分析

4. 虚函数表指针（vptr）的存储

4.1 单继承

4.2 多重继承

5. 常见面试题解析

问题1：D 继承 B1 和 B2，D 新增虚函数放在哪里？

问题2：D 有几个虚表指针？

问题3：如果 B1 没有虚函数，B2 有虚函数

6. 总结

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1. 引言

在C++中，虚函数是实现运行时多态（动态绑定）的核心机制，而虚函数表（vtable）和虚表指针（vptr）是实现这一机制的关键。理解虚函数在类对象模型中的存储方式，对于深入掌握C++面向对象编程至关重要。本文将详细分析：

• 单继承下的虚函数表布局
• 多重继承下的虚函数表布局
• 虚函数表指针（vptr）的存储方式
• 新增虚函数对虚表的影响

2. 单继承下的虚函数表

2.1 基本概念

当一个类包含虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表（vtable），存储所有虚函数的地址。每个对象的内存布局中，前4字节（32位系统）或前8字节（64位系统）存储指向虚函数表的指针（vptr）。

2.2 示例分析

class A {
public:virtual void func1() { cout << "A::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "A::func2" << endl; }
};class B : public A {
public:virtual void func1() override { cout << "B::func1" << endl; } // 重写virtual void func3() { cout << "B::func3" << endl; }          // 新增
};

内存布局：

对象	虚表指针（vptr）	虚表内容
A	vptr_A	A::func1, A::func2
B	vptr_B	B::func1（重写）, A::func2, B::func3（新增）

关键点：

• B 继承 A，因此 B 的虚表包含 A 的所有虚函数（func1 被重写，func2 保留）。
• B 新增的 func3 附加到虚表末尾。

3. 多重继承下的虚函数表

3.1 基本概念

在多重继承中，派生类会为每个包含虚函数的基类维护一个独立的虚函数表。如果派生类新增虚函数，它们会附加到第一个基类的虚表末尾。

3.2 示例分析

class B1 {
public:virtual void f1() { cout << "B1::f1" << endl; }
};class B2 {
public:virtual void f2() { cout << "B2::f2" << endl; }
};class D : public B1, public B2 {
public:virtual void f1() override { cout << "D::f1" << endl; }  // 重写 B1::f1virtual void f2() override { cout << "D::f2" << endl; }  // 重写 B2::f2virtual void f3() { cout << "D::f3" << endl; }           // 新增虚函数
};

内存布局：

对象	虚表指针（vptr）	虚表内容
D	vptr_B1	D::f1, D::f3（新增）
	vptr_B2	D::f2

关键点：

• D 继承 B1 和 B2，因此有 2 个虚表指针（vptr_B1 和 vptr_B2）。
• D 新增的 f3 附加到 B1 的虚表末尾（因为 B1 是第一个基类）。
• B2 的虚表仅存储 D 重写的 f2。

4. 虚函数表指针（vptr）的存储

4.1 单继承

• 只有一个 vptr，位于对象起始地址。
• 示例：

A a;
B b;
cout << *(void**)&a; // 输出 A 的虚表地址
cout << *(void**)&b; // 输出 B 的虚表地址

4.2 多重继承

• 每个基类对应一个 vptr，按继承顺序排列。
• 示例：

D d;
void** vptr1 = *(void***)&d;                     // B1 的 vptr
void** vptr2 = *(void***)((char*)&d + sizeof(B1)); // B2 的 vptr

5. 常见面试题解析

问题1：D 继承 B1 和 B2，D 新增虚函数放在哪里？

✅ 答案：放在第一个基类 B1 的虚表末尾。

问题2：D 有几个虚表指针？

✅ 答案：2 个（对应 B1 和 B2）。

问题3：如果 B1 没有虚函数，B2 有虚函数

6. 总结

继承方式	虚表指针数量	新增虚函数存储位置
单继承	1	附加到基类虚表末尾
多重继承	等于基类数量	附加到第一个基类虚表末尾

关键结论：

1. 虚函数表（vtable）是实现动态绑定的核心。
2. 单继承时，派生类虚表包含基类虚函数 + 新增虚函数。
3. 多重继承时，派生类为每个基类维护独立虚表，新增虚函数放在第一个基类虚表末尾。