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c++中虚函数表属于类还是属于对象？

article 2024/10/25 15:12:40

在 C++ 中，虚函数表（Virtual Table，简称 vtable） 是实现多态性的关键机制之一。关于虚函数表的归属问题，常见的疑问是：

“虚函数表属于类？还是属于对象？”

答案是：

虚函数表属于类，而不是每个对象。

然而，为了更深入地理解这一概念，下面将详细解释虚函数表（vtable）和虚指针（vptr）的关系，以及它们如何在类和对象中协同工作。

1. 虚函数表（vtable）概述

虚函数表（vtable）：这是一个由编译器生成的静态数据结构，用于支持运行时的动态绑定。每个包含虚函数的类（基类或派生类）都有一个对应的虚函数表。
虚指针（vptr）：每个对象内部通常包含一个隐藏的指针，称为虚指针，指向所属类的虚函数表。这个指针由编译器自动管理，程序员通常无需直接操作。

2. 虚函数表属于类

类级别的虚函数表：
- 单一实例：对于每个具有虚函数的类，编译器生成一个唯一的虚函数表。无论创建多少个该类的对象，所有对象共享同一个虚函数表。
- 内容：虚函数表中存储的是该类中所有虚函数的地址。如果派生类覆写了基类的虚函数，虚函数表中的对应条目将指向派生类的实现。
- 示例：
```
class Base {
public:
    virtual void func1() { /* ... */ }
    virtual void func2() { /* ... */ }
};

class Derived : public Base {
public:
    void func1() override { /* ... */ } // 覆写 Base::func1
    void func3() { /* 非虚函数 */ }
};
```
  - Base 类有一个虚函数表 vtable_Base，包含 func1 和 func2 的地址。
  - Derived 类有一个虚函数表 vtable_Derived，func1 指向 Derived::func1，func2 继承自 Base，如果未覆写则指向 Base::func2，并且新增的 func3 不在虚函数表中（因为它不是虚函数）。

3. 虚指针属于对象

对象级别的虚指针（vptr）：
- 每个对象都有一个虚指针：当创建一个对象时，编译器会自动在对象内嵌入一个指向其类的虚函数表的指针（vptr）。
- 指向虚函数表：这个虚指针指向所属类的虚函数表。例如，Base 类的对象指向 vtable_Base，Derived 类的对象指向 vtable_Derived。
运行时多态的实现：
- 当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会通过 vptr 查找虚函数表，从而调用实际对象类中对应的函数实现，实现动态绑定。
示例：
```
Base* obj = new Derived();
obj->func1(); // 调用 Derived::func1
obj->func2(); // 调用 Base::func2（如果 Derived 未覆写 func2）
```
- 尽管 obj 是 Base 类型的指针，但它实际指向一个 Derived 对象。
- obj 的 vptr 指向 vtable_Derived，因此调用 func1 时会执行 Derived::func1，而调用 func2 时，如果 Derived 没有覆写 func2，则执行 Base::func2。

4. 视觉化理解

类和虚函数表的关系

类 Base ------------------> vtable_Base
    | func1 -> Base::func1
    | func2 -> Base::func2

类 Derived ---------------> vtable_Derived
    | func1 -> Derived::func1
    | func2 -> Base::func2

对象和虚指针的关系

对象 baseObj (Base 类型)
    | vptr -> vtable_Base

对象 derivedObj (Derived 类型)
    | vptr -> vtable_Derived

5. 总结

虚函数表（vtable） 是 类级别 的数据结构，每个具有虚函数的类都有自己的虚函数表。
虚指针（vptr） 是 对象级别 的，每个对象包含一个指向其所属类虚函数表的指针。
这种设计使得不同类的对象可以共享相同的虚函数表（如果它们没有覆写虚函数），同时支持运行时的多态性，通过虚指针动态绑定到正确的函数实现。
override 关键字 主要用于在编译时确保子类正确覆写基类的虚函数，它本身并不直接影响虚函数表的结构或行为，但正确使用 override 可以避免潜在的覆写错误，确保多态性正常工作。