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C++ 虚函数：深入理解多态的核心机制

news 来源：原创 2025/9/13 23:32:25

C++ 虚函数：深入理解多态的核心机制

在 C++ 里，虚函数是实现 多态（Polymorphism） 的关键机制之一。透彻理解虚函数的概念、实现方式以及使用场景，对编写高效且可扩展的 C++ 代码起着至关重要的作用。本文会详细介绍 C++ 虚函数的所有知识点，并结合实例辅助理解。

1. 虚函数基础概念

1.1 什么是虚函数

虚函数是在基类中声明，并且能在派生类里被重写（override）的成员函数。它允许利用基类指针或引用调用派生类的函数，从而实现 运行时多态（Run - time Polymorphism）。

#include <iostream>
using namespace std;class Base {
public:virtual void show() { cout << "Base class show()" << endl; }
};class Derived : public Base {
public:void show() override { cout << "Derived class show()" << endl; }
};int main() {Base* ptr = new Derived();ptr->show();  // 输出：Derived class show()delete ptr;return 0;
}

要是 show() 并非虚函数，那么 ptr->show() 就会调用 Base::show()，而非 Derived::show()。

1.2 静态绑定 vs 动态绑定

在深入了解虚函数之前，得先明白 C++ 的两种绑定机制：

静态绑定（早绑定）：在编译期确定函数调用地址。适用于普通成员函数、全局函数，效率高但缺乏灵活性。
动态绑定（晚绑定）：在运行时依据对象类型确定函数调用。通过虚函数实现，牺牲少量效率来换取扩展性。

class Shape {
public:void draw() { /* 静态绑定 */ }       // 非虚函数virtual void rotate() { /*...*/ }    // 虚函数（动态绑定）
};

1.3 虚函数的本质

虚函数是 C++ 实现运行时多态的核心机制。当运用基类指针/引用操作派生类对象时，虚函数允许调用实际对象类型的函数版本。

Shape* p = new Circle();
p->rotate();  // 调用Circle::rotate()

2. 虚函数的工作原理

2.1 虚函数表（VTable）和虚函数指针（VPointer）

C++ 借助 虚函数表（Virtual Table, VTable） 和 虚函数指针（Virtual Pointer, VPointer） 来达成虚函数的动态绑定。

虚函数表（VTable）：类级别的结构，每个包含虚函数的类都有一个 VTable，用于存储该类的虚函数指针。
虚函数指针（VPointer, VPTR）：对象级别的指针，每个对象都有一个 VPTR，指向该类的 VTable。

在运行时，调用虚函数时，会通过 VPTR 查找 VTable，然后调用对应的函数。

示例：

class Base {
public:virtual void show() {} // 虚函数
};class Derived : public Base {
public:void show() override {}
};

在编译后的内存布局可能如下：

Base 对象:
[ VPTR ] --> 指向 Base 的 VTableDerived 对象:
[ VPTR ] --> 指向 Derived 的 VTableBase 的 VTable:
[ show() -> Base::show() ]Derived 的 VTable:
[ show() -> Derived::show() ]

2.2 虚函数表（VTable）深度解析

每个包含虚函数的类在编译时都会生成虚函数表：

VTable 结构：

|-----------------------|
| 类型信息（RTTI）指针	|  // C++标准不强制要求
|-----------------------|
| virtual func1 的地址  	|
|-----------------------|
| virtual func2 的地址  	|
|-----------------------|
| ...                   |

单继承时的内存布局：

class Base {int x;virtual void vfunc1();
};class Derived : public Base {int y;void vfunc1() override;
};

内存布局：

Derived 对象：
+---------------+ 
| vptr          | --> Derived VTable
+---------------+
| Base::x       |
+---------------+
| Derived::y    |
+---------------+

2.3 多重继承下的虚函数

多重继承时，每个基类都有自己的 vptr：

class Base1 { virtual void f1(); };
class Base2 { virtual void f2(); };
class Derived : public Base1, public Base2 {void f1() override;void f2() override;
};

内存布局：

Derived 对象：
+---------------+
| Base1 vptr    | --> Derived's Base1 VTable
+---------------+
| Base1 data    |
+---------------+
| Base2 vptr    | --> Derived's Base2 VTable
+---------------+
| Base2 data    |
+---------------+
| Derived data  |
+---------------+

2.4 虚函数指针（vptr）的初始化过程

vptr 的初始化发生在对象构造过程中：

对象内存分配
基类构造函数调用
设置当前类的 vptr
成员变量初始化
派生类构造函数执行

这就解释了为何构造函数不能是虚函数——在基类构造函数执行时，派生类的 vptr 尚未初始化。

3. 关键知识点

3.1 虚函数只能用于非静态成员函数

静态成员函数没有 this 指针，不依赖对象，所以无法成为虚函数。

3.2 析构函数必须为虚函数

如果一个类有虚函数，建议把 基类的析构函数声明为虚函数，不然可能会导致内存泄漏。

class Base {
public:virtual ~Base() { cout << "Base Destructor" << endl; }
};class Derived : public Base {
public:~Derived() { cout << "Derived Destructor" << endl; }
};int main() {Base* ptr = new Derived();delete ptr;  // 先调用 Derived 析构函数，再调用 Base 析构函数return 0;
}

如果 Base::~Base() 不是虚函数，delete ptr; 只会调用 Base 的析构函数，Derived 的析构函数不会执行，从而导致 内存泄漏。

虚析构函数的必要性可以通过以下代码验证：

class Base {
public:// 非虚析构函数~Base() { cout << "Base destroyed\n"; }
};class Derived : public Base {int* data;
public:Derived() { data = new int[100]; }~Derived() { delete[] data; cout << "Derived destroyed\n"; }
};int main() {Base* p = new Derived();delete p;  // 仅调用Base的析构函数！return 0;
}

当基类析构函数为虚函数时，调用顺序：

Derived destructor -> Base destructor

3.3 纯虚函数与抽象类

纯虚函数（Pure Virtual Function） 是没有具体实现的虚函数，需要在派生类中实现。

class Base {
public:virtual void show() = 0; // 纯虚函数
};class Derived : public Base {
public:void show() override { cout << "Derived class show()" << endl; }
};

包含 至少一个纯虚函数的类 叫做 抽象类（Abstract Class），不能实例化。纯虚函数也可以提供实现（C++ 特性）：

class AbstractClass {
public:virtual void pureVirtual() = 0;
};// 仍然可以提供实现（C++特性）
void AbstractClass::pureVirtual() {cout << "Default implementation\n";
}class Concrete : public AbstractClass {
public:void pureVirtual() override {AbstractClass::pureVirtual();  // 调用基类实现cout << "Custom implementation\n";}
};

3.4 final 关键字

C++11 引入 final 关键字，禁止派生类重写某个虚函数。

class Base {
public:virtual void show() final { cout << "Base show()" << endl; }
};class Derived : public Base {
public:// void show() override; // 编译错误！
};

3.5 override 关键字

C++11 引入 override 关键字，强制派生类必须正确覆盖基类的虚函数。

class Base {
public:virtual void show() {}
};class Derived : public Base {
public:void show() override {}  // 编译器检查是否正确覆盖
};

3.6 虚函数性能分析

虚函数调用开销主要源于：

间接寻址（通过 vptr 访问 vtable）
指令缓存不友好（函数地址不连续）
无法内联优化（多数情况下）

通过 Godbolt 编译器资源管理器观察汇编代码差异：

// 普通函数调用
mov eax, DWORD PTR [obj]
call eax// 虚函数调用
mov rax, QWORD PTR [obj]      // 获取vptr
mov rax, QWORD PTR [rax]      // 获取vtable地址
call QWORD PTR [rax]          // 调用第一个虚函数

4. 常见问题

4.1 为什么虚函数的调用比普通函数慢？

虚函数需要通过 VPTR 查找 VTable，增加了一次间接寻址的开销。

4.2 如何禁用类的虚函数表？

如果类中没有虚函数，编译器不会为其生成 VTable。

4.3 为什么构造函数不能是虚函数？

构造函数在对象创建时调用，而虚函数依赖 VTable，而 VTable 在构造函数执行时可能尚未初始化，因此构造函数不能是虚函数。

5. 总结

知识点	说明
虚函数	通过 `virtual` 关键字定义，可在派生类中重写
运行时多态	使用基类指针/引用调用派生类的函数
VTable & VPTR	C++ 通过 VTable 和 VPTR 实现虚函数
纯虚函数	`= 0` 语法，定义抽象类
析构函数	必须是虚函数，防止内存泄漏
`final`	禁止派生类重写虚函数
`override`	确保正确覆盖基类的虚函数

虚函数是 C++ 多态性的重要特性，掌握其原理和应用能帮助我们编写高效、可扩展的 C++ 程序。

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编程日记 2025/9/13 4:52:02

大模型评估论文粗读“AGIEval: A Human-Centric Benchmark for Evaluating Foundation Models“

Zhong W, Cui R, Guo Y, et al. Agieval: A human-centric benchmark for evaluating foundation models[J]. arXiv preprint arXiv:2304.06364, 2023. 摘要翻译评估大模型在处理人类层级的任务时的通用能力，是AGI发展和应用中至关重要的一环。传统的衡量标准通常依…...

编程日记 2025/9/12 5:19:02

C++ 虚函数：深入理解多态的核心机制

1. 虚函数基础概念

1.1 什么是虚函数

1.2 静态绑定 vs 动态绑定

1.3 虚函数的本质

2. 虚函数的工作原理

2.1 虚函数表（VTable）和虚函数指针（VPointer）

2.2 虚函数表（VTable）深度解析

2.3 多重继承下的虚函数

2.4 虚函数指针（vptr）的初始化过程

3. 关键知识点

3.1 虚函数只能用于非静态成员函数

3.2 析构函数必须为虚函数

3.3 纯虚函数与抽象类

3.4 final 关键字

3.5 override 关键字

3.6 虚函数性能分析

4. 常见问题

4.1 为什么虚函数的调用比普通函数慢？

4.2 如何禁用类的虚函数表？

4.3 为什么构造函数不能是虚函数？

5. 总结

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