C++多态是如何实现

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C++多态是如何实现

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C++中的多态主要分为两种：编译时多态（静态多态）和运行时多态（动态多态）。其中运行时多态是我们通常讨论的重点，它是通过虚函数机制实现的。

运行时多态的核心机制是虚函数表（vtable）和虚表指针（vptr）。当一个类定义了虚函数，编译器会为这个类创建一个虚函数表，表中存储了该类所有虚函数的地址。同时，编译器会在每个包含虚函数的类的对象中插入一个隐藏的指针（vptr），指向该类的虚函数表。

具体实现过程如下：

当我们定义一个包含虚函数的类时，编译器会为这个类创建一个虚函数表（vtable）。

类的每个对象都会包含一个虚表指针（vptr），通常位于对象内存布局的开始位置。

当派生类重写基类的虚函数时，派生类的虚函数表中对应的函数指针会被更新为派生类的函数实现。

当我们通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会先找到对象的vptr，通过vptr找到虚函数表，然后在表中查找对应的函数地址，最后调用该函数。

这个过程可以用代码和内存布局来说明：

class Base {
public:virtual void func1() { std::cout << "Base::func1" << std::endl; }virtual void func2() { std::cout << "Base::func2" << std::endl; }void nonVirtual() { std::cout << "Base::nonVirtual" << std::endl; }
};class Derived : public Base {
public:void func1() override { std::cout << "Derived::func1" << std::endl; }// func2未重写，使用Base::func2
};int main() {Base* ptr = new Derived();ptr->func1();  // 调用Derived::func1ptr->func2();  // 调用Base::func2delete ptr;
}

内存布局大致如下：

+--------+
| vptr   | --> Base vtable: [&Base::func1, &Base::func2]
+--------+
| 其他成员 |
+--------+

Derived对象的内存布局：

+--------+
| vptr   | --> Derived vtable: [&Derived::func1, &Base::func2]
+--------+
| 继承的成员|
+--------+
| 新增成员 |
+--------+

当执行ptr->func1()时，实际的调用过程是：获取ptr指向的对象的vptr，通过vptr找到对应的虚函数表，在表中查找func1的地址（通常是表中的第一个条目），调用该地址处的函数，这就是为什么即使ptr是Base*类型，调用的仍然是Derived::func1。

值得注意的是，虚函数机制会带来一些运行时开销：每个对象增加了vptr的内存开销（通常是一个指针的大小，32位系统4字节，64位系统8字节），每个类需要维护一个虚函数表，调用虚函数时需要额外的间接寻址，此外，C++的多重继承会使虚函数的实现更复杂，可能涉及到多个虚表和复杂的指针调整。