C++运行时多态机制与虚函数表（vtable）深度解析

在C++面向对象编程中，运行时多态是实现接口统一与行为动态绑定的核心机制。其底层依赖于虚函数表（virtual table，简称 vtable）和虚函数指针（vptr），使得程序能在运行时根据对象实际类型调用正确的函数。

当一个类中声明了至少一个虚函数，编译器会为该类生成一张 vtable。每个对象实例内部会隐式包含一个指向该表的指针（vptr）。vtable 本质上是一个函数指针数组，按声明顺序存储该类所有虚函数的地址。派生类若重写基类虚函数，其 vtable 中对应位置将被更新为新实现的地址。

以下代码展示了典型多态行为：

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void say() { 
        std::cout << "Base says hello.\n"; 
    }
    virtual ~Base() = default; // 虚析构确保安全删除
};

class Derived : public Base {
public:
    void say() override { 
        std::cout << "Derived says hi!\n"; 
    }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->say(); // 输出: Derived says hi!
    delete ptr;
    return 0;
}

在此例中，ptr 虽为 Base* 类型，但因指向 Derived 对象，运行时通过 vptr 查找 vtable，最终调用 Derived::say()。这种机制虽带来灵活性，但也引入轻微性能开销：每次虚函数调用需额外一次间接寻址。

值得注意的是，构造函数中不应调用虚函数——此时对象尚未完全构造，vptr 可能仍指向基类 vtable，导致意外行为。此外，多重继承或虚继承会使 vtable 结构更复杂，但基本原理不变。

综上所述，理解 vtable 有助于深入掌握 C++ 多态本质。建议在需要动态行为扩展的场景中合理使用虚函数，同时避免在性能敏感路径中过度依赖运行时多态。对于确定类型的调用，优先考虑非虚函数以提升效率。