C++ 多态底层实现原理详解

前言

在多态核心语法层面（虚函数、重写、纯虚函数等）的基础上，多态的底层依赖于 vptr 虚指针与 vtable 虚函数表。学习时常有以下疑问：带虚函数的类 sizeof 为何多出字节？基类指针指向不同派生类对象如何找到对应函数？虚表、虚指针存在内存哪个区域？静态绑定和动态绑定的区别？本篇从内存布局、对象模型、汇编视角出发，彻底讲透 C++ 多态底层原理。

正文

一、虚函数和普通函数的区别

对于普通类，成员函数所占内存总和在对齐后即为类内存大小。但带有虚函数的类，sizeof 会多出 4/8 字节（取决于系统位数）。这是因为对象中包含了一个虚函数表指针（vptr）。一个含有虚函数的类至少都有一个虚函数表指针，所有虚函数的地址被放到该类的虚函数表（vtable）中。

二、多态的原理

多态是如何实现的

满足多态条件后，底层不再是编译时通过调用对象确定函数地址，而是运行时到指向对象的虚表中确定对应的虚函数地址。这样实现了指针或引用指向基类就调用基类的虚函数，指向派生类就调用派生类对应的虚函数。

class Person {
public:
    virtual void BuyTicket() { cout << "买票 - 全价" << endl; }
private:
    string _name;
};
class Student : public Person {
public:
    virtual void BuyTicket() { cout << "买票 - 打折" << endl; }
private:
    string _id;
};
class Soldier : public Person {
public:
    virtual void BuyTicket() { cout << "买票 - 优先" << endl; }
private:
    string _codename;
};
void Func(Person* ptr) {
    // 这里可以看到虽然都是 Person 指针 Ptr 在调用 BuyTicket
    // 但是跟 ptr 没关系，而由 ptr 指向的对象决定的。
    ptr->BuyTicket();
}
{
    Person ps;
    Student st;
    Soldier sr;
    (&ps);
    (&st);
    (&sr);
     ;
}