面试题：C++ 多态对象在内存中的存储方式及原理

Question

在C++中，多态是如何实现的？从内存存储的角度详细阐述包含虚函数的类对象在内存中的布局，以及在运行时如何根据对象类型正确调用虚函数。

Answer 1

多态的实现方式

在C++ 中，多态主要通过虚函数（virtual function）和指针或引用（pointer or reference）来实现。

1. 编译时多态：通过函数重载（function overloading）和模板（template）实现。函数重载是指在同一作用域内，可以有多个同名函数，但参数列表不同。模板则允许编写通用的代码，根据实际使用的类型生成具体的代码。

2. 运行时多态：通过虚函数和指针或引用实现。当一个基类指针或引用指向派生类对象时，根据对象的实际类型来决定调用哪个类的虚函数。

包含虚函数的类对象内存布局

当一个类包含虚函数时，该类对象在内存中的布局如下：

1. 虚函数表指针（vptr）：位于对象内存布局的起始位置，该指针指向一个虚函数表（vtable）。虚函数表是一个存储虚函数地址的数组。
2. 数据成员：对象的数据成员紧跟在虚函数表指针之后存储，按照声明顺序排列。

例如，假设有如下类定义：

class Base {
public:
    virtual void func() {}
    int data;
};

Base类对象在内存中的布局大致如下：

+----------------+
| vptr           |
+----------------+
| data           |
+----------------+

运行时虚函数调用过程

1. 对象创建：当创建一个包含虚函数的类对象时，编译器会在对象的起始位置插入一个虚函数表指针（vptr），并初始化该指针指向对应的虚函数表（vtable）。对于派生类对象，vptr指向派生类的虚函数表。如果派生类重写了基类的虚函数，虚函数表中对应位置会存储派生类虚函数的地址；否则，存储基类虚函数的地址。
2. 虚函数调用：当通过基类指针或引用调用虚函数时，运行时系统首先根据对象的虚函数表指针找到对应的虚函数表。然后，根据虚函数在虚函数表中的索引，找到实际要调用的虚函数的地址，并执行该函数。

例如：

Base* ptr = new Derived();
ptr->func();

在上述代码中，ptr是一个指向Derived对象的Base类指针。当调用ptr->func()时，运行时系统首先通过ptr找到Derived对象的虚函数表指针，然后根据虚函数表中func的索引找到Derived::func的地址，并调用该函数。这样就实现了根据对象的实际类型正确调用虚函数，从而实现运行时多态。