面试题：C++ 中虚函数的原理？ - 程序百科-程序百科

在 C++ 中，虚函数（Virtual Function）是实现运行时多态（Runtime Polymorphism）的关键机制。它允许在基类中声明一个函数，并在派生类中重写该函数，从而通过基类指针或引用调用派生类的实现。虚函数的原理主要依赖于虚表（vtable）和虚表指针（vptr）。

1. 虚函数的基本概念

虚函数：在基类中使用 virtual 关键字声明的函数，可以在派生类中重写。
多态：通过基类指针或引用调用虚函数时，实际调用的是派生类的实现。

示例：

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

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

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->print(); // 输出 Derived
    delete ptr;
    return 0;
}

2. 虚函数的实现原理

（1）虚表（vtable）

虚表是一个函数指针数组，存储了类的虚函数地址。
每个包含虚函数的类都有一个虚表。
虚表中的每个条目指向一个虚函数的实际实现。

（2）虚表指针（vptr）

每个包含虚函数的对象都有一个隐藏的虚表指针（vptr），指向其类的虚表。
虚表指针在对象构造时初始化，指向正确的虚表。

（3）动态绑定

当通过基类指针或引用调用虚函数时，编译器会通过虚表指针查找虚表，并调用正确的函数实现。

3. 虚函数的工作原理

（1）类的内存布局

对于包含虚函数的类，编译器会在对象的内存布局中添加一个虚表指针（vptr）。
虚表指针通常位于对象的起始位置。

（2）虚表的创建

编译器为每个包含虚函数的类生成一个虚表。
虚表中存储了虚函数的地址。如果派生类重写了虚函数，虚表中的条目会指向派生类的实现；否则，指向基类的实现。

（3）虚函数调用过程

通过基类指针或引用调用虚函数。
编译器通过对象的虚表指针找到虚表。
从虚表中查找对应的函数地址。
调用该函数。

4. 示例分析

代码：

class Base {
public:
    virtual void func1() {
        std::cout << "Base::func1" << std::endl;
    }
    virtual void func2() {
        std::cout << "Base::func2" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void func1() override {
        std::cout << "Derived::func1" << std::endl;
    }
    void func2() override {
        std::cout << "Derived::func2" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->func1(); // 输出 Derived::func1
    ptr->func2(); // 输出 Derived::func2
    delete ptr;
    return 0;
}

内存布局：

Base 类的虚表：

vtable for Base:
[0] Base::func1
[1] Base::func2

Derived 类的虚表：

vtable for Derived:
[0] Derived::func1
[1] Derived::func2

调用过程：

ptr->func1()：
- 通过 ptr 找到对象的虚表指针（vptr）。
- 通过 vptr 找到 Derived 的虚表。
- 调用虚表中的第一个条目 Derived::func1。
ptr->func2()：
- 通过 ptr 找到对象的虚表指针（vptr）。
- 通过 vptr 找到 Derived 的虚表。
- 调用虚表中的第二个条目 Derived::func2。