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C++中如何实现多态?(虚函数表与动态绑定)

冰火之心

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发布时间:2026-01-23 18:13:02

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来源于php中文网

原创

只有被virtual显式修饰的成员函数,且通过指针或引用调用时,才触发动态绑定;普通函数、静态函数、构造函数及非virtual析构函数均不参与虚函数机制。

c++中如何实现多态?(虚函数表与动态绑定)

虚函数怎么声明才触发动态绑定

只有被 virtual 显式修饰的成员函数,且通过指针或引用调用时,才会走运行时动态绑定。普通函数、静态成员函数、构造函数、析构函数(除非显式声明为 virtual)都不参与虚函数机制。

常见错误是忘记在基类中加 virtual,比如写成 void func() {} 而不是 virtual void func() {},此时即使派生类重写,调用也仍是静态绑定,编译器直接绑定到指针/引用的静态类型所对应的函数。

实操建议:

  • 基类中所有预期被重写的接口,一律加上 virtual
  • 派生类中用 override 显式标注重写(C++11 起),避免拼写错误或签名不匹配导致意外隐藏而非重写
  • 纯虚函数写作 virtual void func() = 0;,含纯虚函数的类即为抽象类,不能实例化

虚函数表(vtable)在内存里长什么样

每个含虚函数的类(或其子类)在编译期生成一张全局只读的函数指针表,即 vtable;每个该类的对象开头隐式插入一个指针 vptr,指向其所属类的 vtable。对象布局通常是:vptr + 成员变量。

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注意:vtable 不是每个对象一份,而是每类一份;vptr 才是每个对象一份。多继承下可能有多个 vptr(如菱形继承需 virtual 继承来解决)。

典型布局示例(单继承):

class Base {
public:
    virtual void f() { cout << "Base::f"; }
    int x;
};

class Derived : public Base {
public:
    void f() override { cout << "Derived::f"; }
    int y;
};

// sizeof(Derived) 通常是 16(x + y + vptr,假设指针占 8 字节)

调试时可通过打印对象地址和 *reinterpret_cast(&obj) 查看 vptr 指向的 vtable 内容(需关闭优化,且依赖 ABI,仅作理解参考)。

为什么构造函数和析构函数不能是虚函数(除了析构函数例外)

构造函数不能是虚函数,是因为对象尚未完成构造,vptr 还没被初始化到最终类的 vtable —— 它在构造过程中会随继承链逐级更新:先调基类构造,设基类 vtable 地址;再调派生类构造,覆盖为派生类 vtable 地址。此时若允许虚调用,会调到不完整状态的函数,语义危险。

析构函数可以且**应该**是 virtual 的(尤其基类有虚函数时),否则通过基类指针 delete 派生类对象,只会调基类析构,派生部分内存泄漏。

关键点:

  • 基类析构函数必须声明为 virtual,哪怕函数体为空
  • 一旦类设计为多态基类(即有 virtual 函数),就默认应有 virtual 析构函数
  • 不要在构造/析构函数中调用虚函数 —— 此时动态绑定失效,实际调用的是当前正在构造/析构的那个类的版本

动态绑定失败的三个典型场景

即使写了 virtualoverride,仍可能因调用方式不对而退化为静态绑定。

最容易忽略的是:通过对象值(非指针/引用)调用虚函数,例如 Base b = Derived(); b.func(); —— 发生对象切片(slicing),b 是纯 Base 对象,vptr 指向 Base vtable,调用 Base::func

其他常见陷阱:

  • 使用 static_cast 强转指针类型后调用,如 static_cast(ptr)->func(),若 ptr 实际是 Derived*,但强制按 Base* 解释,仍能正确动态绑定;但若强转为无关类型(如 Other*),则未定义行为
  • 函数参数是值传递而非引用/指针,传入派生类对象会切片,丢失虚函数信息
  • 模板函数内直接调用 t.func()t 是模板参数),编译期绑定,与虚函数无关

虚函数机制只对“指针或引用 + 成员函数调用”这一特定语法生效,其余都是普通函数调用。这点必须刻进本能。

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