C++ 類別物件記憶體模型深度解析：繼承、虛函數與菱形繼承

理解 C++ 物件在記憶體中的佈局，對於效能調優、除錯與跨語言互操作至關重要。本文系統性分析單一繼承、多重繼承、虛擬繼承、菱形繼承等情況下的物件記憶體結構與虛函數表（vtable）組織。

基礎規則

• 含虛函數的類別，物件開頭為虛函數表指標（__vfptr）。
• 繼承鏈中，子類別物件前段包含父類別完整拷貝（含 vptr）。
• 無論繼承多少層，物件僅有一個 vptr（單一繼承情況）。

虛函數表組織

子類別 vtable 先存放父類別虛函數，再存放自身新增虛函數。若覆寫父類別虛函數，對應 vtable 條目會被取代為子類別函式位址。

多重繼承佈局

子類別依宣告順序依序包含各父類別子物件（各自帶 vptr），最後放置自身成員。子類別新增虛函數存放於第一個父類別 vtable 尾端。覆寫特定父類別虛函數時，修改對應父類別 vtable 條目。

虛擬繼承差異

虛擬繼承下，子類別擁有獨立 vtable，並另行保存一份父類別 vtable，中間以 4 位元組 0x00000000 分隔。佈局順序：子類別 vtable → 子類別資料 → 0x0 分隔 → 父類別 vtable → 父類別資料。若子類別無虛函數，則無 vtable，但仍需 0x0 分隔。

菱形虛擬繼承

虛擬基類別在記憶體中僅存在一份，所有繼承路徑共享該實體，解決菱形繼承的資料重複問題。

總結

1. 基類別：有虛函數則 vptr 在前，接著資料成員；無虛函數直接放資料。
2. 單一繼承：父類別拷貝在前，子類別資料在後。
3. vtable 順序：父類別虛函數 → 子類別虛函數。
4. 覆寫會取代 vtable 對應條目。
5. 多重繼承：依宣告順序排列父類別子物件，子類別虛函數置於第一父類別 vtable 末端。
6. 虛函數呼叫：編譯器查詢物件 vtable 取得函式位址並透過 this 指標呼叫。