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【C++】透视C++多态：从虚函数表到底层内存布局的完全拆解

news 2025/10/2 9:23:10

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问题引入：

1. 多态原理

2. 动态绑定与静态绑定

3. 单继承和多继承中的虚函数表

3.1. 单继承中的虚函数表

3.2. 多继承中的虚函数表

问题引入：

上篇文章我们知道了虚表的存在，虚表中存储了虚函数的指针，所以sizeof()展现出来会包括指针的大小，那么今天我们从原理的角度来理解一下多态。

【C++】面试官爱的C++多态八股文，这次让你彻底搞懂！

1. 多态原理

下面这段代码中，Buy()函数，如果传入的是Person调用的就是Person::BuyTicket()，传Student调用的是Student::BuyTicket。这样就构成了多态，而多态的调用实现，是依靠运行时，去指向对象的虚表中查调用的函数地址。

class Person
{
public:Person(const char* name = "张三"):_name(name){}virtual void BuyTicket(){cout << _name << "购票,需要排队,每人 100 ￥" << endl;}
protected:string _name;
};class Student : public Person
{
public:Student(const char* name):_name(name){}virtual void BuyTicket(){cout << _name << "购票,需要排队,每人 50 ￥" << endl;}
private:string _name;
};void Buy(Person* p)
{p->BuyTicket();
}int main()
{Person p("张三");Buy(&p);Student st("张同学");Buy(&st);return 0;
}

通过监视窗口我们可以发现：

Person指向对象p时，p->BuyTicket()在p的虚表中找到虚函数是Person::Ticket
Student指向对象st时，st->BugTicket在st的虚表中找到虚函数是Student::Ticket
通过查找不同的虚函数就实现了，不同的对象调用会有不同的行为，也就是多态
我们再明确一下实现多态的两个条件：存在虚函数、需要对象指针或引用调用虚函数
通过反汇编窗口可以发现，构成了多态之后，函数的调用是在运行了程序过程中去对象中取的，而不是编译时就决定的（如果不是多态，函数调用会在编译时就决定好）

多态调用：运行时决议，运行时才确定函数的地址

普通函数：编译时决议，编译时确认调用函数的地址

2. 动态绑定与静态绑定

静态绑定（前期绑定）：编译时就决定了调用哪个函数，根据变量或表达式的静态类型决定，也就形成了静态多态，如函数重载
动态绑定（后期绑定）：在程序运行时，根据拿到的具体类型来确定函数的具体行为，也就形成动态动态

如下面这个和上面那个p->BuyTicket()对比就知道，动态绑定和静态绑定的区别：

3. 单继承和多继承中的虚函数表

3.1. 单继承中的虚函数表

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Base::Func1()" << endl;}virtual void Func2(){cout << "Base::Func2()" << endl;}
private:int _b = 1;
};class Derive :public Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Derive::Func1()" << endl;}virtual void Func3(){cout << "Derive::Func3()" << endl;}virtual void Func4(){cout << "Derive::Func4()" << endl;}
private:int _d = 2;
};
int main()
{Base b;Derive d;return 0;
}

通过调试时我们发现似乎有些问题，理论上派生类d，应该会有三个虚函数（继承基类的两个，新增加的两个），但是我们发现虚表中只有两个指针，我们看不到Func3()和Func4()，这里是编译器隐藏了这两个函数，可以认为是VS的一个Bug。

这里我们采用比较底层的方式打印出虚表的指针：

首先我们明确一点，虚函数指针会隐藏的存储在对象内存的开头
我们先 &b 取地址
然后强制转换成三重指针 (void***)(&d)，这相当于告诉编译器，将这块内存看做指向void**的指针
然后进行解引用 *(void***)(&d)，这也就是对象开头的虚函数表指针

// 打印虚表并执行函数
void PrintVFTable_Safe(void** vtable, int max_entries = 10)
{cout << "Virtual Table Address: " << vtable << endl;if (vtable == nullptr) {cout << "Invalid vtable pointer!" << endl;return;}for (int i = 0; i < max_entries; ++i){// 检查地址是否有效if (vtable[i] == nullptr || (uintptr_t)vtable[i] < 0x1000) {cout << "  [" << i << "]: END OF TABLE" << endl;break;}cout << "  [" << i << "]: " << vtable[i];// 直接执行函数typedef void(*FuncPtr)();FuncPtr func = (FuncPtr)vtable[i];cout << " -> ";func();  // 执行函数// 安全限制，避免无限循环if (i >= max_entries - 1) {cout << "  ... (reached max entries)" << endl;break;}}cout << endl;
}int main()
{Base b;Derive d;void** vtable_b = *(void***)(&b);void** vtable_d = *(void***)(&d);cout << "=== Base Virtual Table ===" << endl;PrintVFTable_Safe(vtable_b);cout << "=== Derive Virtual Table ===" << endl;PrintVFTable_Safe(vtable_d);return 0;
}

3.2. 多继承中的虚函数表

下面我们给出一段多继承的代码，来分析一下：

#include <iostream>
using namespace std;class Base1
{
public:virtual void Func1(){cout << "Base1::Func1()" << endl;}virtual void Func2(){cout << "Base1::Func2()" << endl;}
private:int _b1 = 1;
};class Base2
{
public:virtual void Func1(){cout << "Base2::Func1()" << endl;}virtual void Func2(){cout << "Base2::Func2()" << endl;}
private:int _b2 = 1;
};class Derive :public Base1, public Base2
{
public:virtual void Func1(){cout << "Derive::Func1()" << endl;}virtual void Func3(){cout << "Derive::Func3()" << endl;}
private:int _d1 = 2;
};// 打印虚表并执行函数
void PrintVFTable_Safe(void** vtable, int max_entries = 10)
{cout << "Virtual Table Address: " << vtable << endl;if (vtable == nullptr) {cout << "Invalid vtable pointer!" << endl;return;}for (int i = 0; i < max_entries; ++i){// 检查地址是否有效if (vtable[i] == nullptr || (uintptr_t)vtable[i] < 0x1000) {cout << "  [" << i << "]: END OF TABLE" << endl;break;}cout << "  [" << i << "]: " << vtable[i];// 直接执行函数typedef void(*FuncPtr)();FuncPtr func = (FuncPtr)vtable[i];cout << " -> ";func();  // 执行函数// 安全限制，避免无限循环if (i >= max_entries - 1) {cout << "  ... (reached max entries)" << endl;break;}}cout << endl;
}int main()
{Derive d;void** vtable_d = *(void***)(&d);PrintVFTable_Safe(vtable_d);return 0;
}

构成这样一个继承关系：