【C++ 基础入门】C++ 多态（中）：虚函数表、多态原理与动静绑定

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✨当前学习内容： 《C++学习》

📑 目录

一、前置讲解
二、虚函数表
三、多态原理
四、动态绑定与静态绑定
五、复盘（附答案）

一、前置讲解

在进入正文前，先花 10 秒了解本篇会反复用到的核心概念，带着印象去读正文，学习效率更高。

🧠 前置知识一：虚函数表指针（vfptr）

含虚函数的对象里多出一个指针 ，放在对象最前面 ，指向该类的虚函数表。

📋 前置知识二：虚函数表（vtable）

本质是存虚函数指针的数组 ，末尾一般放 nullptr；每个含虚函数的类各有一份。

🔁 前置知识三：重写 = 覆盖

语法层叫重写，原理层叫覆盖 ------指子类函数地址替换掉虚表里父类对应位置。

⚙️ 前置知识四：动态绑定 vs 静态绑定

虚函数走运行时 查表（动态）；普通函数在编译期就定死（静态）。

🧩 前置知识五：多态两条件的原理

虚函数覆盖 保证表里有正确地址，指针/引用调用保证运行时才去查表。

二、虚函数表

2.1 `sizeof(Base)` 是多少？

cpp 复制代码

// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base) 是多少？
class Base
{
public:
    virtual void Func1()
    {
        cout << "Func1()" << endl;
    }
private:
    int _b = 1;
};

答案是：跟平台有关。

平台	组成	`sizeof(Base)`
32 位	虚表指针 4 字节 + `int _b` 4 字节	8 字节
64 位	虚表指针 8 字节 + `int _b` 4 字节 + 对齐填充 4 字节	16 字节

通过观察和测试发现：对象里除了 _b 成员，还多一个 __vfptr 放在对象的最前面 。对象中的这个指针我们叫虚函数表指针 （v 代表 virtual，f 代表 function）。

一个含有虚函数的类中，都至少有一个虚函数表指针 ------因为虚函数的地址要放到虚函数表中 ，虚函数表也简称虚表。

💡 面试常问"为什么加了 virtual 对象就变大了"：因为每个对象都多存了一个指针 （注意是每个对象一个 vfptr，不是每个函数）。

2.2 派生类的虚表长什么样

先给代码加上三个变化：派生类 Derive 继承 Base、Derive 中重写 Func1、Base 再增加一个虚函数 Func2 和一个普通函数 Func3。

cpp 复制代码

class Base
{
public:
    virtual void Func1()
    {
        cout << "Base::Func1()" << endl;
    }
    virtual void Func2()
    {
        cout << "Base::Func2()" << endl;
    }
    void Func3()
    {
        cout << "Base::Func3()" << endl;
    }
private:
    int _b = 1;
};

class Derive : public Base
{
public:
    virtual void Func1()
    {
        cout << "Derive::Func1()" << endl;
    }
private:
    int _d = 2;
};

int main()
{
    Base b;
    Derive d;
    return 0;
}

两个类的虚表内容对比：

虚表中的槽位	`Base` 的虚表	`Derive` 的虚表
第 1 项	`Base::Func1`	`Derive::Func1`（被重写覆盖）
第 2 项	`Base::Func2`	`Base::Func2`（继承来的虚函数）
末尾	`nullptr`	`nullptr`
`Func3`（普通函数）	不进虚表	不进虚表

2.3 六个关键结论

序号	结论
1	派生类对象 `d` 中也有一个虚表指针：`d` 对象由两部分构成------一部分是父类继承下来的成员 + 虚表指针（注意父类的虚表指针和子类的虚表指针是不同的），另一部分是自己的成员
2	基类 `b` 对象和派生类 `d` 对象的虚表不一样：`Func1` 完成了重写，所以 `d` 的虚表中存的是重写后的 `Derive::Func1` 。所以虚函数的重写也叫作覆盖 ------重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法
3	`Func2` 继承下来后仍是虚函数，所以放进虚表；`Func3` 也继承下来了，但不是虚函数，所以不会放进虚表
4	虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况下数组最后面放了一个 `nullptr`
5	派生类虚表的生成过程见下表（三步）
6	虚函数存在哪？虚表存在哪？很多人的回答是"虚函数存在虚表，虚表存在对象中"------这个回答是错的，但很多人深以为然。虚表存的是虚函数指针，不是虚函数；虚函数和普通函数一样，都存放在代码段，只是它的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。至于虚表本身存在哪 ------实际验证会发现 VS 下虚表存在代码段

派生类虚表的生成过程：

步骤	做法
a	先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类的虚表中
b	如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数
c	派生类自己新增加的虚函数，按其在派生类中的声明次序，增加到虚表的最后

再强调一遍（这段没看懂就多看几遍）：

东西	存在哪	说明
成员函数（含虚函数）	代码段	只要是成员函数都在代码段，不会在对象内显示
虚函数表	代码段	表里存的是函数指针
虚函数表指针 `__vfptr`	对象内部	对象里只有指针，没有表

再总结成五条：

序号	总结
1	虚表归属：每个包含虚函数的类都有自己独立的虚表；继承会对父类虚表复制，再通过重写修改；虚表存放的是虚函数指针，不是虚函数
2	重写的作用：子类重写虚函数时，会替换虚表中父类对应的函数地址，这就是多态的核心
3	新虚函数：新增虚函数按声明次序进入虚表；虚函数和普通函数一样都存放在代码段，不在虚表里
4	非虚函数：不会进虚表，调用时直接静态绑定（编译时确定调用哪个类的函数）
5	虚表何时产生：虚表内容在编译期就由编译器安排好（函数地址在链接期确定）；而对象里的虚表指针在构造时设置

三、多态原理

cpp 复制代码

class Person   // 父类（含虚函数，支持多态）
{
public:
    virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};

class Student : public Person   // 子类，重写虚函数
{
public:
    virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }   // 覆盖父类实现
};

void Func(Person& p)   // 多态调用：通过基类引用调用虚函数
{
    p.BuyTicket();     // 运行时根据实际对象类型动态绑定
}

int main()
{
    Person Mike;
    Func(Mike);        // 买票-全价（调用 Person::BuyTicket）

    Student Johnson;
    Func(Johnson);     // 买票-半价（调用 Student::BuyTicket，体现多态）
    return 0;
}

运行结果：

复制代码

买票-全价
买票-半价

观察	结论
`p` 指向 Mike 对象时	`p->BuyTicket` 在 Mike 的虚表中找到的是 `Person::BuyTicket`
`p` 指向 Johnson 对象时	`p->BuyTicket` 在 Johnson 的虚表中找到的是 `Student::BuyTicket`
结果	这样就实现了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态

反过来思考：为什么多态需要那两个条件？

条件	在原理上对应什么
虚函数覆盖	保证虚表里那个槽位存的是子类的函数地址------表里地址不对，查表也查不到正确的函数
对象的指针或引用调用	保证调用动作推迟到运行时------用对象直接调用，编译器早就按静态类型定死了，根本不会去查表

再看汇编层面： 满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的 ，而是运行起来以后到对象中去找的 ；不满足多态的函数调用，是编译时确认好的。

💡 一句话概括原理：虚表是"虚函数地址的目录"，vfptr 是"目录在哪" 。运行时先顺着 this 找到 vfptr → 找到虚表 → 取出对应槽位的地址 → 再 call。所以多态是**"多一次查表"换来的灵活性**。

四、动态绑定与静态绑定

对比项	静态绑定（前期绑定 / 早绑定）	动态绑定（后期绑定 / 晚绑定）
确定时机	编译期间	运行期间
依据	变量的静态类型	具体拿到的对象类型
又被称为	静态多态	动态多态
典型例子	函数重载、普通函数调用	虚函数 + 基类指针/引用调用
效率	更高（直接 call 地址）	略低（要查虚表）

💡 记住这条对应关系：重载是静态多态（编译期挑版本），虚函数重写是动态多态（运行期查虚表）。两者都能叫"多态"，但机制完全不同。

五、复盘（附答案）

💡 思考题

sizeof(Base) 为什么会比只有成员变量时更大？ 32 位和 64 位下分别是多少？
派生类对象里有没有自己的虚表指针？ 父类和子类的虚表指针是同一个吗？
为什么说"重写"和"覆盖"是同一件事的两种叫法？ 分别在什么语境下用？
派生类的虚表是怎么生成的？ 基类的 Func2 和普通函数 Func3 分别会不会进虚表？
"虚函数存在虚表里、虚表存在对象里"这句话错在哪？ 正确说法是什么？
满足多态的调用为什么不满足多态更快？ 动态绑定和静态绑定分别是什么？
多态的两个条件在原理上分别保证了什么？ 缺一个为什么就不行？

📝 答案

因为只要类里有虚函数，对象里就会多一个虚表指针 __vfptr （放在对象最前面），对象大小因此增加。32 位 下：vfptr 4 + int 4 = 8 字节 ；64 位 下：vfptr 8 + int 4 + 对齐填充 4 = 16 字节。
有。派生类对象 d 中也有一个虚表指针 ，d 由"父类继承下来的成员 + 虚表指针"和"自己的成员"两部分构成。父类的虚表指针和子类的虚表指针是不同的 （d 的 vfptr 指向 d 自己的虚表，b 的指向 b 的虚表）。
因为它们描述的是同一件事的两个层面 ：语法层说派生类写了一个和基类一模一样的虚函数，叫"重写" ；原理层说派生类函数地址把虚表里基类那个槽位的内容替换掉了，叫"覆盖" 。所以可以记成"重写是语法，覆盖是原理"。
生成过程三步：a. 先把基类虚表内容拷贝一份 到派生类虚表；b. 重写了的虚函数，用派生类版本的地址覆盖 掉基类的那一项；c. 派生类新增的虚函数按声明次序追加到虚表末尾 。基类的 Func2 是虚函数，会进虚表 （原样继承）；Func3 是普通函数，不进虚表。
错在把"指针"和"实物"混为一谈 。正确说法：虚表里存的是虚函数的指针，不是虚函数本身 ；虚函数和普通函数一样存在代码段 ；对象里存的不是虚表，而是虚表指针 ；虚表本身（VS 下）也存在代码段 。对象内只有那个 __vfptr。
因为不满足多态（静态绑定）的调用在编译期就把目标函数地址定死了，直接 call 即可 ；而满足多态（动态绑定）的调用必须运行时先取 vfptr、再查虚表、最后才能拿到函数地址 ，多一次内存访问。静态绑定 =前期绑定/早绑定，编译期确定行为（如函数重载）；动态绑定=后期绑定/晚绑定，运行期按实际对象类型确定（如虚函数通过基类指针/引用调用）。
虚函数覆盖 保证虚表里那个槽位存的确实是子类函数的地址 ------否则查表也查不到正确的实现；指针/引用调用 保证调用动作被推迟到运行时 ------如果用对象直接调用，编译器按静态类型就把函数调用定死了，根本不会走查表这条路。两者缺一不可。

结语

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二、虚函数表

2.1 sizeof(Base) 是多少？

2.2 派生类的虚表长什么样

2.3 六个关键结论

三、多态原理

四、动态绑定与静态绑定

五、复盘（附答案）

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2.1 `sizeof(Base)` 是多少？