C++ 對象模型深度解析：佈局成本、虛函數表與繼承

從 C 到 C++：封裝的代價

C 語言中數據與操作分離；C++ 引入類，將數據與成員函數封裝。關鍵問題：封裝是否增加對象佈局成本？

• 非靜態數據成員：直接內含於對象中，同 C struct，無額外空間開銷。
• 靜態數據成員：存放於所有對象之外，單一實例。
• 非靜態成員函數：不出現在對象中，每個類僅有一份代碼；inline 函數可能在每個使用模塊產生實體。
• 虛函數：引入 vptr 指向 vtbl（虛函數表），增加指針大小的空間，間接調用帶來微小時間開銷。
• 虛基類：確保多重繼承中基類單一共享實體，增加指針/偏移量開銷。

三種對象模型演進

1. 簡單對象模型：對象只存指向成員的指針槽，成員本身放在別處。統一槽大小，但間接訪問效率低，未實際採用。
2. 表格驅動模型：所有成員信息抽離到數據成員表與成員函數表，對象存兩個表指針。函數表概念被虛函數表借鑑。
3. C++ 對象模型 (Stroustrup)：非靜態數據內含，靜態/函數成員外置，虛函數通過 vptr+vtbl 實現。兼顧空間與效率。

虛函數機制詳解

• 每個含虛函數的類生成一個 vtbl（靜態陣列），存虛函數地址。
• 每個對象含一個 vptr 指向其類的 vtbl。
• 構造/析構/拷貝賦值自動設定/重置 vptr。
• type_info 通常放在 vtbl 首槽，支持 RTTI。

多重繼承下的額外負擔

Derived 轉換到第二或後續 Base 可能需調整 this 指針（偏移量），且虛基類需額外間接層。

總結

C++ 對象模型在不犧牲 C 效率的前提下實現封裝、繼承、多態。主要開銷來自虛函數與虛基類，但這是為了運行時多態與共享基類的必要代價。理解模型有助於優化與調試。