C++ 虛函數核心機制：從面試題到虛表佈局深度剖析

一、經典面試題：輸出什麼？

class A { public: virtual void p() { cout << "A" << endl; } };
class B : public A { public: virtual void p() { cout << "B" << endl; } };
int main() {
    A* a = new A; A* b = new B;
    a->p(); b->p(); // 輸出：A  B
    delete a; delete b;
}

基類指針指向派生對象，調用虛函數 → 動態綁定，輸出 A B。

二、有無 virtual 的本質區別

1. 無 virtual（靜態綁定）

A* b = new B; b->p(); 編譯期確定調用 A::p()，輸出 A A。因非虛函數調用在編譯期靜態綁定，忽略對象實際類型。

2. 有 virtual（動態綁定）

關鍵認知：
a. 基類指針/引用調用虛函數時，直到運行時才知對象確切類型。
b. 非虛函數：無論實際類型，執行基類版本。
虛函數：運行時根據指針指向的對象類型，調用該類型定義的版本。
故 b->p() 調用 B::p()，輸出 A B。

三、虛函數底層實現：虛表與 vptr

通用模型：
• 每個含虛函數的類有一個虛表，存放虛函數地址。
• 每個對象含一個vptr，指向其類的虛表。

引用《深度探索 C++ 對象模型》經典例子

class Point {
public:
    virtual ~Point();
    virtual Point& mult(float) = 0; // 純虛
    float x() const { return _x; }  // 非虛，不進虛表
    virtual float y() const { return 0; }
    virtual float z() const { return 0; }
protected:
    Point(float x = 0.0); float _x;
};

class Point2d : public Point {
public:
    Point2d(float x=0, float y=0) : Point(x), _y(y) {}
    ~Point2d();                    // 覆寫
    Point2d& mult(float);          // 覆寫
    float y() const { return _y; } // 覆寫
protected:
    float _y;
};

class Point3d : public Point2d {
public:
    Point3d(float x=0, float y=0, float z=0) : Point2d(x,y), _z(z) {}
    ~Point3d(); 
    Point3d& mult(float);
    float z() const { return _z; }
protected:
    float _z;
};

虛表佈局（單繼承）

1. Point 虛表：~Point(slot1), mult(slot2), y(slot3), z(slot4)。Point 對象含 _x + vptr。
2. Point2d 虛表：覆寫 ~Point2d, mult, y；繼承 Point::z。對象含 _y + vptr（指向 Point2d 虛表）。
3. Point3d 同理：覆寫 ~Point3d, mult, z；繼承 y。

總結

虛函數通過虛表 + vptr 實現運行時多態：構造時設置 vptr 指向正確虛表，調用時通過 vptr 定位槽位跳轉。單繼承下虛表按聲明順序線性佈局，派生類覆寫替換槽位，未覆寫繼承基類槽位。