C++虚函数和纯虚函数区别_C++多态底层原理与vptr表剖析-C++-PHP中文网

C++虚函数和纯虚函数区别_C++多态底层原理与vptr表剖析

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发布： 2025-11-25 18:03:40

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虚函数允许派生类重写并提供默认实现，纯虚函数强制派生类实现且使类成为抽象类不可实例化；两者通过vptr和vtable实现运行时多态，基类析构函数应声明为虚函数以避免资源泄漏。

c++虚函数和纯虚函数区别_c++多态底层原理与vptr表剖析

虚函数和纯虚函数是C++实现多态的关键机制，它们都依赖于运行时的动态绑定。虽然功能相似，但在使用方式和语义上有明显区别。理解这些差异，并掌握其底层实现原理，有助于写出更灵活、可扩展的面向对象程序。

虚函数与纯虚函数的区别

虚函数（virtual function）是在基类中声明为virtual的成员函数，允许派生类重写它。基类可以提供默认实现，派生类可以选择是否覆盖该函数。

例如：

class Base {
public:
    virtual void func() {
        cout << "Base::func" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void func() override {
        cout << "Derived::func" << endl;
    }
};

纯虚函数（pure virtual function）是一种特殊的虚函数，使用= 0语法声明，不提供实现（或在类外定义），表示该函数必须由派生类实现。包含纯虚函数的类称为抽象类，不能实例化。

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例如：

class AbstractBase {
public:
    virtual void mustImplement() = 0;

    virtual void hasDefault() {
        cout << "Default implementation" << endl;
    }
};

class Concrete : public AbstractBase {
public:
    void mustImplement() override {
        cout << "Implemented in Concrete" << endl;
    }
};

关键区别总结：

虚函数可有实现，派生类可选择是否重写
纯虚函数通常无实现（除极少数特殊情况），强制派生类实现
含有纯虚函数的类是抽象类，无法创建对象
纯虚函数可用于定义接口，实现类似“接口类”的效果

多态的底层实现：vptr与vtable

C++多态的核心在于虚函数表（vtable）和虚指针（vptr）。每个具有虚函数的类在编译时会生成一个虚函数表，其中存储指向各个虚函数的函数指针。每个对象则包含一个隐藏的指针 vptr，指向所属类的 vtable。

当通过基类指针调用虚函数时，实际过程如下：

v0.dev

Vercel推出的AI生成式UI工具，通过文本描述生成UI组件代码

261

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程序通过对象的 vptr 找到其类的 vtable
在 vtable 中查找对应函数的地址
跳转到该地址执行实际函数（动态绑定）

举个例子：

Base* ptr = new Derived();
ptr->func(); // 调用 Derived::func()

尽管 ptr 是 Base* 类型，但由于 func 是虚函数，系统通过 vptr 定位到 Derived 的 vtable，从而调用正确的函数。这就是动态多态的实现基础。

vtable 是类级别的，所有该类对象共享同一个表；而 vptr 是对象级别的，每个对象都有自己的指针。构造函数中会自动初始化 vptr 指向正确的 vtable，析构时也可能调整 vptr（尤其是在多继承中）。

常见注意事项与最佳实践

使用虚函数时需注意以下几点：

基类的析构函数应声明为虚函数，否则删除派生类对象时可能不会调用派生类的析构函数，导致资源泄漏
虚函数调用有轻微性能开销（一次间接寻址），对性能敏感的场景需权衡使用
纯虚函数可以让类变成接口，提高设计的清晰度和安全性
可以在抽象类中为纯虚函数提供实现，但必须显式调用（如 AbstractBase::mustImplement()）

例如，为纯虚函数提供实现：

virtual void mustImplement() = 0;

// 在源文件或其他地方实现
void AbstractBase::mustImplement() {
cout << "Base implementation" << endl;
}

这样派生类仍需重写，但可以在重写函数中调用基类版本做部分工作。

基本上就这些。虚函数支持多态，纯虚函数定义接口，两者结合vptr/vtable机制，构成了C++面向对象设计的基石。理解其原理，能帮助我们更好驾驭复杂系统的设计与调试。

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