SystemVerilog 中的虚函数（virtual function）相关问题解析

1. vptr 和 vtable 的存储位置及绑定关系

• vtable（虚函数表）：

  • 是一个存储虚函数指针的数组，每个虚函数在表中有一个对应的条目。
  • 每个多态类（含虚函数或虚继承的类）有自己独立的 vtable。
  • 只有类中有虚函数时才有vtable。
  • vtable只储存抽象类中的虚函数，不储存非虚函数。

• vptr（虚指针）：

  • 是一个隐藏的指针成员，指向所属类的 vtable。
  • 存储在类的对象实例中（通常是对象的开头位置）。
  • 在对象构造时由编译器自动初始化（通过构造函数代码绑定到当前类的 vtable）。
  • 只有在指针类型的类中有虚函数时才有vptr。

• 绑定关系：

  • vptr 与对象的实际类型绑定。例如：

    class Base;
      virtual function void display();
        $display("Base");
      endfunction
    endclass
    
    class Child extends Base;
      function void display(); // 隐式 override
        $display("Child");
      endfunction
    endclass
    
    Base b = Child::new(); // vptr 指向 Child 的 vtable
    

    此时 b.vptr 指向 Child 的 vtable，调用 b.display() 会执行 Child::display。

  • vptr 在对象构造时由构造函数隐式初始化，指向当前类对应的 vtable。

  • 当通过基类指针或引用调用虚函数时，通过 vptr 找到 vtable，再通过 vtable 找到实际调用的函数地址（动态绑定）。

2. override 时父类是 virtual 函数而子类不是

• 规则：

  • 如果父类的函数声明为 virtual，子类的同名函数自动成为虚函数，无论是否显式标记 virtual。
  • 子类函数会**覆盖（override）**父类的虚函数（即使没有 override 关键字）。

• 示例：

  class Parent;
    virtual function void display();
      $display("Parent::display");
    endfunction
  endclass
  
  class Child extends Parent;
    function void display(); // 隐式虚函数，覆盖父类
      $display("Child::display");
    endfunction
  endclass
  

  • 调用 Parent p = new Child; p.display(); 会输出 Child::display（动态绑定生效）。

3. override 时子类是 virtual 函数而父类不是

• 规则：

  • 如果父类函数未声明为 virtual，子类函数即使标记为 virtual，也不会触发动态绑定。
  • 此时子类的虚函数是一个新的虚函数，与父类非虚函数无关（隐藏而非覆盖）。
  • 通过基类指针调用时，仍然调用父类的非虚函数（静态绑定）。

• 示例：

  class Parent;
    function void display(); // 非虚函数
      $display("Parent::display");
    endfunction
  endclass
  
  class Child extends Parent;
    virtual function void display(); // 新的虚函数，隐藏父类函数
      $display("Child::display");
    endfunction
  endclass
  

  • 调用 Parent p = new Child; p.display(); 会输出 Parent::display（静态绑定）。
  • 只有通过 Child 类型调用时才会使用子类的虚函数。

关键总结

1. vptr 在对象中，vtable 在只读段，vptr 指向当前类的 vtable。
2. 父类虚函数的子类实现总是虚函数（无论是否显式标记）。
3. 父类非虚函数的子类虚函数是独立的新函数，无法通过基类指针多态调用。

最佳实践

• 始终用 virtual 标记基类需要多态的函数。
• 在子类中使用 override 关键字显式标记覆盖（避免误隐藏）：

  class Child extends Parent;
    function void display() override; // 明确意图
      ...
    endfunction
  endclass