C++ 가상 함수 디스패치와 vtable 구조

vtable이란

virtual 키워드가 붙은 함수를 포함하는 클래스는 컴파일러가 **vtable(가상 함수 테이블)**을 생성합니다. vtable은 함수 포인터 배열이며, 각 가상 함수의 실제 구현 주소를 담습니다. 객체마다 vtable을 가리키는 vptr이 하나씩 숨겨진 멤버로 추가됩니다.

class Base {
public:
    virtual void draw() {}
    virtual void update() {}
    int x;
};

class Derived : public Base {
public:
    void draw() override {}  // vtable 슬롯 교체
};

메모리 레이아웃:

Base 객체:    [ vptr → Base_vtable   | x ]
Derived 객체: [ vptr → Derived_vtable | x ]

Base_vtable:    [ &Base::draw    | &Base::update ]
Derived_vtable: [ &Derived::draw | &Base::update ]  ← draw만 교체

vptr 초기화 시점

생성자 호출 순서에 따라 vptr이 단계적으로 설정됩니다.

struct A {
    A() { /* vptr → A::vtable */ }
    virtual void f() {}
};

struct B : A {
    B() { /* vptr → B::vtable 으로 갱신 */ }
    void f() override {}
};

생성자 안에서 가상 함수를 호출하면 아직 파생 클래스의 vptr이 설정되지 않아 기대하는 오버라이드가 실행되지 않습니다. 소멸자도 동일합니다.

다중 상속과 vtable

다중 상속 시 객체 내에 vptr이 여러 개 존재합니다.

class A { virtual void f(); };
class B { virtual void g(); };
class C : public A, public B {
    void f() override;
    void g() override;
};
// C 레이아웃: [ vptr_A | A 필드 | vptr_B | B 필드 | C 필드 ]

B* 포인터로 캐스팅하면 내부 주소 오프셋이 적용되므로 reinterpret_cast는 위험하고 static_cast나 dynamic_cast를 사용해야 합니다.

성능 특성

항목	내용
vptr 역참조	포인터 1회 추가 역참조
간접 분기	CPU 분기 예측기 미스 가능
인라인 불가	컴파일 타임에 호출 대상 미확정
devirtualization	컴파일러가 호출 대상을 정적으로 파악하면 직접 호출로 최적화

Derived d;
d.draw();   // 타입 확정 → devirtualization 가능

Base* p = &d;
p->draw();  // 타입 불확실 → vtable 조회

final로 devirtualization 힌트 제공

class Derived final : public Base {
    void draw() override final {}
};

final은 파생 클래스가 없음을 컴파일러에 알려 가상 호출을 직접 호출로 최적화할 기회를 줍니다.

순수 가상 함수

class Shape {
public:
    virtual ~Shape() = default;
    virtual double area() const = 0;  // 순수 가상
};

순수 가상 함수의 vtable 슬롯은 __cxa_pure_virtual 같은 에러 핸들러를 가리킵니다. 직접 호출 시 프로그램이 종료됩니다.

정리

• vtable은 클래스당 하나, vptr은 객체당 하나(다중 상속 시 여러 개)
• 생성자/소멸자 내 가상 함수 호출은 파생 클래스 구현이 실행되지 않으므로 피할 것
• final 지정으로 devirtualization 최적화 유도 가능
• 가상 함수 오버헤드는 대부분 무시할 수준이나, 캐시 미스와 분기 예측 실패가 핫 루프에서는 병목이 될 수 있음