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C++中通过虚函数实现多态的原理

news 来源：原创 2025/5/22 1:48:35

C++中通过虚函数实现多态的原理

我们都知道C++是通过虚函数实现多态的，那么其中的原理是什么呢？

在C++中，多态性是一种重要的特性，它允许通过基类指针或引用来调用派生类中的函数。多态性主要分为两种：编译时多态（主要通过函数重载和模板实现）和运行时多态（主要通过虚函数实现）。C++中通过虚函数实现的多态主要是运行时多态（动态多态），其原理主要基于虚函数表（vtable）和虚函数指针（vptr）。

1. 虚函数的定义

虚函数是在基类中使用virtual关键字声明的成员函数。例如：

class Base 
{
public:
    virtual void show() 
    {
        cout << "Base::show" << endl;
    }
};

当一个类的成员函数被声明为虚函数后，C++运行时系统会为该类及其派生类提供动态绑定的机制。

2. 虚函数表（vtable）

虚函数表是一个由编译器生成的数组，其中存储了类中所有虚函数的地址。每个包含虚函数的类都有一个唯一的虚函数表。例如：

class Base 
{
public:
    virtual void show() {
        cout << "Base::show" << endl;
    }
    virtual void display() {
        cout << "Base::display" << endl;
    }
};

对于Base类，编译器会为其生成一个虚函数表，其中包含show和display的地址。

3. 虚函数指针（vptr）

每个包含虚函数的类的对象都会有一个隐藏的成员变量——虚函数指针（vptr）。这个指针指向该对象所属类的虚函数表。当对象被创建时，构造函数会初始化这个指针，使其指向正确的虚函数表。

4. 多态的实现原理

当通过基类指针或引用调用虚函数时，C++运行时系统会通过对象的vptr找到对应的vtable，然后通过vtable找到正确的虚函数地址并调用。这个过程称为动态绑定或晚期绑定。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void show() {
        cout << "Base::show" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() override {
        cout << "Derived::show" << endl;
    }
};

int main() {
    Base* ptr;
    Base base;
    Derived derived;

    ptr = &base;
    ptr->show();  // 输出：Base::show

    ptr = &derived;
    ptr->show();  // 输出：Derived::show

    return 0;
}

解释：

Base base对象：
- base对象的vptr指向Base类的vtable。
- Base类的vtable中存储了Base::show的地址。
- 当调用ptr->show()时，运行时通过ptr对象的vptr找到Base类的vtable，并调用Base::show。
Derived derived对象：
- derived对象的vptr指向Derived类的vtable。
- Derived类的vtable中存储了Derived::show的地址（覆盖了Base::show）。
- 当调用ptr->show()时，运行时通过ptr对象的vptr找到Derived类的vtable，并调用Derived::show。

5. 虚函数表的存储结构

假设Base类和Derived类的虚函数表存储如下：

Base类的vtable：
- Base::show
- Base::display（如果有其他虚函数）
Derived类的vtable：
- Derived::show（覆盖了Base::show）
- Base::display（如果没有覆盖，仍然指向基类的虚函数）