面试题：C++ 虚函数与对象内存结构

Question

已知类层次结构为：class Base { virtual void virtualFunc() {} }; class Derived : public Base { void virtualFunc() override {} }; 详细阐述Base类对象和Derived类对象在内存中的表现，尤其是虚函数表指针（vptr）在其中的作用与存储位置，以及在多态调用时，对象内存结构如何影响函数的正确调用。

Answer 1

1. Base类对象内存表现
   • 内存布局：当创建一个Base类对象时，其内存中至少包含为类中数据成员分配的空间（在本题Base类中无数据成员，暂不考虑数据成员内存）。同时，由于Base类含有虚函数virtualFunc，它会有一个虚函数表指针（vptr）。
   • 虚函数表指针（vptr）：vptr指向一个虚函数表（vtable）。虚函数表是一个数组，数组中的每个元素是一个函数指针，指向对应的虚函数。在Base类的虚函数表中，virtualFunc的函数指针指向Base::virtualFunc函数的实现。vptr的存储位置通常在对象内存布局的开始位置（不同编译器可能有差异，但大多数现代编译器是这样）。
2. Derived类对象内存表现
   • 内存布局：Derived类对象在内存中首先包含Base类子对象部分，这部分和Base类对象内存布局类似，有vptr以及可能存在的Base类数据成员（本题无）。接着是Derived类新增的数据成员（如果有，本题无）。
   • 虚函数表指针（vptr）：Derived类对象同样有一个vptr，它也指向一个虚函数表。由于Derived类继承自Base类并覆盖了virtualFunc，Derived类的虚函数表和Base类虚函数表结构相似，但对于被覆盖的virtualFunc，其虚函数表中的函数指针指向Derived::virtualFunc函数的实现。vptr在Derived类对象中的存储位置也通常在对象内存布局开始位置（包含Base类子对象部分的开始位置）。
3. 多态调用时对象内存结构的影响
   • 多态原理：在多态调用中，如Base* ptr = new Derived(); ptr->virtualFunc();。首先，通过ptr指针找到Derived类对象内存起始位置，从而获取vptr。vptr指向Derived类的虚函数表。
   • 函数调用：从虚函数表中根据virtualFunc在表中的索引找到对应的函数指针，该指针指向Derived::virtualFunc，于是调用的是Derived类中覆盖后的virtualFunc函数实现。这种机制使得通过基类指针或引用调用虚函数时，能够根据对象的实际类型（运行时类型）来调用正确的函数，实现多态行为。内存结构中vptr和虚函数表的存在是实现多态的关键，它们在运行时动态确定要调用的函数，而非在编译时根据指针类型静态确定。