【C++】虚函数是什么？为什么需要它？

虚函数运行原理、“多态”如何实现（vtable 虚表机制），是 C++ 面向对象底层非常重要的知识点。

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1. 虚函数是什么？为什么需要它？

• 虚函数允许用父类指针/引用调用“子类自己的实现”。
• 这就是多态（Polymorphism）：同一个接口，不同的实现，运行时动态决定实际调用哪个函数。

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2. 多态代码举例

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

Base* p = new Derived();
p->Print(); // 输出 "Derived"，而不是 "Base"

如果没有virtual，输出就是"Base"。有了virtual，输出"Derived"。

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3. vtable（虚表）实现机制

什么是 vtable？

• vtable（虚函数表）是编译器为每个有虚函数的类生成的一个“函数指针数组”。
• 每个对象实例里会有一个指向vtable的隐藏指针（通常叫vptr）。
• vtable表里存放着该类所有虚函数的“实际实现函数地址”。

具体原理：

• 当你通过父类指针/引用调用虚函数时，
• 程序会通过对象里的vptr找到正确的vtable，然后调用vtable里实际存的子类实现地址。
• 所以最终无论用哪个指针，都会自动调到“真正的函数实现”。

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4. 运行流程图解

1. 声明类（有virtual函数）

2. 编译时

   • 编译器为每个类生成vtable（如果有虚函数）。
   • 对象里自动加vptr，指向对应类的vtable。

3. 运行时

   • 用基类指针/引用操作时，走vptr->vtable->实际函数地址，自动完成多态分发。

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5. vtable/vptr的“模拟”代码

假设有：

class Base { virtual void f(); };
class Derived : public Base { void f() override; };

编译器背后大致做了这样的事：

typedef void(*FunPtr)();

struct vtable_Base {
    FunPtr f;
};

struct vtable_Derived {
    FunPtr f;
};

struct Base {
    vtable_Base* vptr;
};

struct Derived {
    vtable_Derived* vptr;
};

当你调用 p->f(); 时，其实是：

p->vptr->f(p);

（p作为this指针传进去）

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6. 小结和常见面试点

• 多态的底层原理： 靠虚函数表（vtable）+ 每个对象的vptr隐藏指针来实现。

• 作用： 让“父类指针/引用指向子类对象”时，调用的是子类自己的实现。

• 代价：

  • 每个对象多一个指针（vptr）。
  • 虚函数调用需要查表，比普通函数指针多一点点性能损耗，但几乎可以忽略。

• 其它说明：

  • 不用virtual时，没有vtable/vptr，不支持多态。

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7. 简单动图理解

Base* p = new Derived();
p->Print();

-----   内存结构大致如下 -----

p
│
└───> [vptr] ───> vtable (Derived类)
                        │
                        └──> Derived::Print

• 编译时写成p->Print()，实际运行时会查vptr和vtable，执行Derived::Print()。

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8. 调试技巧

• 用 sizeof 看类大小，含虚函数的类多一个指针（32位下4字节，64位下8字节）。
• 可以用 GDB 查看对象的vptr和vtable。

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9. 一张表对比

普通函数	虚函数
编译时绑定	运行时绑定
没有vtable/vptr	有vtable/vptr
没有多态	支持多态

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结论

• “虚函数 + vtable + vptr”= C++多态本质！
• 让 父类指针/引用调用到正确的子类方法，灵活解耦、高级抽象