c++的虚函数表(vtable)是如何工作的？ (深入理解多态)

裘德小鎮的故事

发布时间：2026-01-11 12:35:33

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原创

虚函数表指针（vptr）始终位于对象内存起始处，指向编译期生成的虚函数表（vtable）；vtable按虚函数声明顺序存储函数指针，构造/析构中vptr动态更新以保障正确多态调用。

c++的虚函数表(vtable)是如何工作的？ (深入理解多态)

虚函数表指针（vptr）在对象内存布局中的位置

每个含有虚函数的类，编译器会在其对象的最开始处隐式插入一个 vptr（虚函数表指针），指向该类的虚函数表（vtable）。这个指针大小取决于平台（通常是 8 字节在 64 位系统上），且**永远位于对象内存的起始地址**。

这意味着：sizeof 一个含虚函数的类，一定 ≥ 指针大小；即使类中只有虚函数、无成员变量，sizeof 也不为 0。

派生类对象也包含自己的 vptr，但若未重写基类虚函数，则对应表项仍指向基类实现
多重继承时，子对象可能有多个 vptr（例如每个虚基类子对象一份），布局更复杂，但主流编译器（如 GCC、MSVC）通常只在最派生对象开头放一个主 vptr，其余通过偏移调整
注意：vptr 是编译器自动维护的，无法在 C++ 源码中直接访问或修改；尝试用 reinterpret_cast 强转取址属于未定义行为

虚函数表（vtable）的内容与生成时机

vtable 是编译期生成的静态数组，每个类（而非每个对象）一份，存储的是函数指针（void (*)() 类型），按虚函数声明顺序排列。纯虚函数在表中存为 nullptr 或特定陷阱地址（如 GCC 填 __cxa_pure_virtual）。

关键点：

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构造函数中，对象的 vptr 会被逐步设置：先设为基类 vtable 地址，进入派生类构造函数后才更新为派生类 vtable
因此，在基类构造函数里调用虚函数，实际执行的是基类版本——哪怕派生类已重写，此时 vptr 还没被改写
析构同理：析构顺序与构造相反，vptr 逐层回退，确保调用对应层级的虚函数

多态调用如何通过 vtable 实现（以 g++ 为例）

当通过基类指针或引用调用虚函数时，CPU 执行流程是：取对象首地址 → 解引用 vptr 得到 vtable 起始地址 → 按虚函数在类中声明顺序计算偏移（如第 0 个是 func1，则取 vtable[0]）→ 调用该地址处的函数。

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示例代码可验证这一机制：

#include 
struct Base {
    virtual void f() { std::cout << "Base::f\n"; }
    virtual void g() { std::cout << "Base::g\n"; }
};
struct Derived : Base {
    void f() override { std::cout << "Derived::f\n"; }
};
int main() {
    Derived d;
    // 强制读取 vptr（仅用于演示，非标准做法）
    void** vptr = *static_cast(&d);
    std::cout << "vtable addr: " << vptr << "\n";
    // 调用 vtable[0]（即 f()）
    using Func = void(*)();
    Func f_ptr = reinterpret_cast(vptr[0]);
    f_ptr(); // 输出 "Derived::f"
}

注意：reinterpret_cast 访问 vtable 是非便携、非标准行为，仅用于教学观察；实际项目中绝不应依赖此方式。