面试题：C++构造函数非虚特性在模板与对象创建复杂场景下的深度剖析

Question

在C++中，结合模板和继承结构，设计一个场景：有一个模板类TemplateBase，其派生类DerivedTemplate继承自TemplateBase<T>（T为模板参数）。TemplateBase中有构造函数和虚函数，DerivedTemplate重写了虚函数。在创建DerivedTemplate<int>对象时，分析构造函数非虚特性如何影响对象的创建过程，包括模板实例化与构造函数非虚特性之间的关系，以及这种关系在运行时和编译时对虚函数机制的影响。

Answer 1

1. 模板实例化过程：
   • 当创建DerivedTemplate<int>对象时，首先进行模板实例化。编译器会根据模板参数int生成TemplateBase<int>和DerivedTemplate<int>的具体类定义。这是编译时的行为。
   • 模板实例化是根据具体的模板参数将模板类生成具体的类，在此过程中，编译器会检查模板代码的语法正确性，但不会执行构造函数等成员函数的代码。
2. 构造函数非虚特性与对象创建：
   • 对象创建顺序：在创建DerivedTemplate<int>对象时，先调用TemplateBase<int>的构造函数，再调用DerivedTemplate<int>的构造函数。这是因为构造函数是非虚的，构造过程是从基类到派生类逐步进行。这种顺序是固定的，与虚函数机制无关。
   • 构造函数非虚原因：构造函数的主要任务是初始化对象的成员变量。如果构造函数是虚的，由于虚函数调用需要通过虚函数表，而在对象构造过程中，虚函数表可能还未完全初始化，这会导致未定义行为。所以构造函数不能是虚的。
3. 对虚函数机制的影响：
   • 编译时：
     • 在编译时，编译器根据对象的静态类型来确定对虚函数的调用。例如，如果有一个指向DerivedTemplate<int>对象的TemplateBase<int>*指针，在编译时编译器会根据TemplateBase<int>类的定义来检查对虚函数的调用是否合法。
     • 模板实例化过程中，编译器会为TemplateBase<int>和DerivedTemplate<int>分别生成虚函数表（如果有虚函数）的布局信息，这为运行时的虚函数调用奠定基础。
   • 运行时：
     • 在运行时，虚函数的调用是基于对象的实际类型（动态类型）。当通过TemplateBase<int>*指针调用虚函数时，如果实际指向的是DerivedTemplate<int>对象，会调用DerivedTemplate<int>重写的虚函数版本。这是因为对象在构造完成后，虚函数表指针会正确指向相应类的虚函数表，运行时系统根据虚函数表来实现动态绑定。
     • 由于构造函数非虚，在构造DerivedTemplate<int>对象的过程中，当调用TemplateBase<int>的构造函数时，对象的实际类型被视为TemplateBase<int>，此时如果在TemplateBase<int>构造函数中调用虚函数，会调用TemplateBase<int>版本的虚函数，而不是DerivedTemplate<int>重写的版本。只有在整个DerivedTemplate<int>对象构造完成后，虚函数的动态绑定才能按预期工作。