面试题：C++对象模型与内存布局

Question

假设我们有一个继承体系，基类A包含一个虚函数，派生类B继承自A并覆盖了该虚函数，同时B还包含一些成员变量。请详细描述这个继承体系下对象的内存布局是怎样的？并且说明编译器是如何管理虚函数表指针和成员变量内存分布的？

Answer 1

1. 对象的内存布局
   • 基类A：
     • 当类A中有虚函数时，其对象在内存中首先包含一个虚函数表指针（vptr），用于指向虚函数表。虚函数表是一个存储类中虚函数地址的数组。之后是类A本身定义的成员变量（如果有的话）。
   • 派生类B：
     • 派生类B的对象内存布局，首先是基类A的部分，即虚函数表指针（vptr）和基类A的成员变量（按照基类A中的布局顺序）。这部分是因为B继承自A，所以要包含A的所有非静态成员。
     • 接着是派生类B自己定义的成员变量，按照在B类中声明的顺序排列。
2. 编译器对虚函数表指针和成员变量内存分布的管理
   • 虚函数表指针：
     • 编译器在生成类的对象布局时，会为每个包含虚函数的类（包括基类A和派生类B）创建一个虚函数表。
     • 当创建对象时，编译器会在对象内存布局的起始位置放置虚函数表指针，使其指向对应的虚函数表。对于派生类B，编译器会根据B对虚函数的覆盖情况来填充虚函数表。如果B覆盖了基类A的虚函数，那么虚函数表中对应的虚函数地址就是B中覆盖后的函数地址；如果B没有覆盖某个虚函数，虚函数表中该函数地址仍然是基类A中虚函数的地址。
   • 成员变量内存分布：
     • 对于基类A的成员变量，编译器按照它们在A类中声明的顺序，在虚函数表指针之后分配内存空间。
     • 对于派生类B自己的成员变量，编译器在基类A部分（虚函数表指针和基类成员变量）之后，按照B类中声明的顺序分配内存空间。编译器通过这种固定的布局方式，使得程序在运行时能够准确地访问对象的成员变量和虚函数。