探秘C++虚函数：解密多态的奥秘

虚函数—作为面向对象编程的核心特性之一，虚函数不仅在代码中发挥着重要作用，更是实现多态性的关键所在。

什么是虚函数？

在 C++ 中，虚函数是为了实现运行时多态性而设计的特殊类型的函数。通过在基类中声明虚函数，并在派生类中进行重写，可以在程序运行时根据实际对象类型确定调用的函数版本。这为我们提供了一种灵活的方式来处理继承关系，使得代码更具可扩展性和可维护性。

虚函数表的作用

虚函数表（virtual function table，简称 Vtable）是 实现虚函数的重要机制之一。每个类（包括含有虚函数的类）都会生成一个对应的虚函数表，其中存储了该类中所有虚函数的地址。

当对象被创建时，会分配一个指向其类的虚函数表的指针（虚指针）。通过这个指针，程序能够在运行时确定调用的函数版本，实现了动态绑定。注意与静态绑定混淆重载-静态绑定（链接）。

虚函数表的性质

• 每个类都有自己的虚函数表：当一个类中包含至少一个虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表。 
• 虚函数表中存储的是函数指针：虚函数表中的每个条目都是一个指向对应虚函数的函数指针。 
• 对象含有指向其类的虚函数表的指针：每个对象都含有一个指向其类的虚函数表的指针，通过这个指针实现动态绑定。 

派生类的虚函数表包含基类的虚函数表内容，并扩展新函数：派生类的虚函数表通常是在基类的虚函数表的基础上进行扩展的。 

示例代码解释 让我们通过一段简单的代码来说明虚函数表的工作原理：

#include <IOStream>

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

class Derived : public Base {
public:
    void func1() override {
        std::cout << "Derived::func1()" << std::endl;
    }
    void func3() {
        std::cout << "Derived::func3()" << std::endl;
    }
};

int mAIn() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->func1(); // 动态绑定
    ptr->func2(); // 动态绑定
    delete ptr;
    return 0;
}

在这个示例中，我们创建了一个基类 Base 和一个派生类 Derived，后者重写了基类中的 func1()。

在 main() 函数中，我们创建了一个基类指针指向派生类对象，并通过该指针调用了两个虚函数 func1() 和 func2()。由于 func1() 是虚函数，并且对象是 Derived 类型，所以会动态绑定到 Derived::func1()。而 func2() 在派生类中没有被重写，所以会绑定到基类的版本。

虚函数表的大小

先看一个例子（操作环境64位系统）

//先看空类大小
class test {

};
//只有一个虚函数的类大小
class test1 
{
  public:
    virtual void function()
{
    std::cout << "function()" << std::endl;
    }
};
//两个虚函数类的大小
class test2 
{
  public:
    virtual void function1()
{
    std::cout << "function1()" << std::endl;
    }
    
    virtual void function2()
{
    std::cout << "function2()" << std::endl;
    }
};

int main()
{
  std::cout<<"sizeof test: "<<sizeof(test)<<std::endl;
  std::cout<<"sizeof test1: "<<sizeof(test1)<<std::endl;
  std::cout<<"sizeof test2: "<<sizeof(test2)<<std::endl;
  return 0;
}

类在内存中记录虚函数是以一个指针记录的，并且该指针指向一个数组，数组中装着的是虚函数的地址。同时，经过实验，64bit的编译器下，虚函数表的指针大小是8字节。