C++ 繼承與多態底層原理（下）：單/多/菱形繼承虛表佈局圖解與虛繼承機制

帶虛函數類的對象模型

含虛函數的類，對象首部為 vptr（指向虛表），緊隨其後為數據成員。虛表為編譯期生成的只讀數組，存虛函數入口地址，按聲明順序排列，以 nullptr 結尾。

class Base { 
    virtual void f1(); virtual void f2(); 
    int data; 
};
// 對象佈局：[vptr] [data]
// 虛表：     [&Base::f1, &Base::f2, nullptr]

單繼承：虛表線性擴展與覆寫替換

class Derived : public Base {
    void f1() override;      // 覆寫
    virtual void f3();       // 新增
    int data2;
};

Derived 對象：[vptr] [Base::data] [data2]
虛表：[&Derived::f1, &Base::f2, &Derived::f3, nullptr]
規則：先複製基類虛表，覆寫函數替換對應槽位，新虛函數追加在末尾。

多重繼承（無覆寫）：多 vptr 獨立虛表

class Base1 { virtual void f1(); virtual void f2(); int b1; };
class Base2 { virtual void f3(); virtual void f4(); int b2; };
class Derived : public Base1, public Base2 { virtual void f5(); int d; };

對象佈局：

[Base1 vptr] → Base1 虛表
[Base1::b1]
[Base2 vptr] → Base2 虛表
[Base2::b2]
[Derived::d]

Derived 擁有兩個 vptr，分別指向兩張獨立虛表。Base2 部分在內存中偏移 sizeof(Base1) 位置。

多重繼承（有覆寫）：同名虛函數雙重替換

class Base1 { virtual void f1(); virtual void f2(); };
class Base2 { virtual void f1(); virtual void f3(); };
class Derived : public Base1, public Base2 { 
    void f1() override;  // 同時覆寫兩個基類的 f1
    void f3() override;  // 覆寫 Base2::f3
};

關鍵現象：Derived::f1 地址會同時寫入兩張虛表的 f1 槽位。編譯器可能生成 thunk（躍板碼） 調整 this 指針偏移，確保以 Base1* 或 Base2* 調用時 this 正確指向完整對象。

虛繼承：共享虛基類子物件

class Base { virtual void f1(); int b; };
class Derived : virtual public Base { virtual void f2(); int d; };

對象佈局：

[vptr] → Derived 虛表（含 Base::f1, Derived::f2）
[vbptr] → 虛基類表（存 Base 偏移）
[Derived::d]
[Base::b]   // 共享、放在最末尾

• vptr 指向合併後的虛表（基類虛函數+派生類虛函數）。
• vbptr 指向虛基類表，運行時查找 Base 真實偏移。
• 虛基類構造由最派生類直接負責，中間派生類不再調用虛基類構造函數。

菱形繼承對比

調試技巧：GDB/Visual Studio 觀察虛表

# GDB
print *(int**)obj          # 取 vptr
print ((void**)vptr)[0]    # 第一個虛函數地址
info vtbl obj              # MSVC 專用命令，直接列出虛表