虚函数表是针对类的还是针对对象的？同一个类的两个对象的虚函数表是怎么维护的？

八股文_C++面向对象面试题 0 324

参考回答

虚函数表（vtable）是针对类的，而不是针对对象的。
– 每个含有虚函数的类在编译时会生成一个虚函数表，表中存储该类的所有虚函数地址。
– 同一个类的所有对象共用一张虚函数表，而每个对象中包含一个隐藏的虚指针（vptr），指向类的虚函数表。
– 虚指针的初始化在对象的构造函数中完成。

详细讲解与拓展

1. 虚函数表是针对类的

虚函数表（vtable）：
- 虚函数表是编译器为每个包含虚函数的类生成的表，用于存储该类的所有虚函数地址。
- 如果类没有虚函数，则不会生成虚函数表。
- 虚函数表是一个静态结构，编译时生成，运行时不变。
虚函数表的特点：
- 针对类生成：每个类只有一张虚函数表，所有对象共享。
- 存储虚函数地址：表中的每一项是一个虚函数的地址。如果子类重写了某个虚函数，虚函数表中会将该项替换为子类的实现地址。

2. 虚指针（vptr）是针对对象的

每个对象有一个隐藏的虚指针（vptr），指向它所属类的虚函数表。
虚指针的作用：
- 在运行时，虚指针帮助对象找到其所属类的虚函数表。
- 调用虚函数时，通过虚指针访问虚函数表中的地址，完成动态绑定。

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

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

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

int main() {
    Base baseObj;
    Derived derivedObj;

    Base* basePtr = &baseObj;
    Base* derivedPtr = &derivedObj;

    basePtr->func1();     // 输出 "Base func1"
    derivedPtr->func1();  // 输出 "Derived func1"

    return 0;
}

运行原理：
1. 类的虚函数表：
– Base 类的虚函数表（vtable）：

对象的虚指针（vptr）：
- baseObj 的虚指针（vptr）指向 Base 类的虚函数表。
- derivedObj 的虚指针（vptr）指向 Derived 类的虚函数表。
调用过程：
- 调用 basePtr->func1() 时，通过 baseObj 的虚指针找到 Base 的虚函数表，调用 Base::func1。
- 调用 derivedPtr->func1() 时，通过 derivedObj 的虚指针找到 Derived 的虚函数表，调用 Derived::func1。

3. 同一个类的两个对象如何维护虚函数表

同一个类的所有对象共享同一张虚函数表。
每个对象有一个独立的虚指针（vptr），指向相同的虚函数表。
虚指针的管理：
- 对象的构造函数负责初始化虚指针，将其指向该对象所属类的虚函数表。
- 如果对象的类层次结构发生变化（如转换为子类），虚指针会更新为指向新的虚函数表。

图示：

Base 类的虚函数表（vtable）：
+-------------------+
| Base::func1       |
| Base::func2       |
+-------------------+

两个对象的虚指针（vptr）：
baseObj -> vtable(Base)
baseObj2 -> vtable(Base)

如果 baseObj 和 baseObj2 是 Base 类的两个对象，它们的虚指针都指向 Base 的虚函数表。

4. 子类重写虚函数时的虚函数表变化

当子类重写了基类的虚函数时：
- 子类的虚函数表中会将该函数的地址替换为子类的实现。
- 没有被重写的虚函数，仍然继承基类的实现。

示例：

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

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

虚函数表：
– Base 的虚函数表：

总结

虚函数表是针对类的：每个类有一张虚函数表，存储该类的所有虚函数地址。
同一个类的所有对象共享虚函数表：对象通过虚指针（vptr）访问类的虚函数表。
虚指针是针对对象的：每个对象有一个独立的虚指针（vptr），指向该对象所属类的虚函数表。
子类重写虚函数时的表更新：子类的虚函数表会替换基类中对应虚函数的地址，而未被重写的函数仍然使用基类的实现。

通过这种机制，C++实现了动态绑定和运行时多态。