面试题：C++虚函数重写与多态的实现细节

Question

假设你有一个基类`Base`包含虚函数`virtual void func()`，以及派生类`Derived`重写了该虚函数。当通过`Base* ptr = new Derived(); ptr->func();`调用函数时，详细说明编译器和运行时系统是如何实现多态性的？在这个过程中，虚函数表（vtable）起到了什么作用？

Answer 1

1. 编译器阶段：
   • 当编译器看到Base* ptr = new Derived();时，它会为Base和Derived类分别构建虚函数表（vtable）。在Base类的虚函数表中，会有func函数的地址，这里是Base::func的地址（因为它是虚函数，需要通过虚函数表来调用）。
   • 对于Derived类，编译器会检查其对基类虚函数的重写情况。由于Derived重写了func函数，在Derived类的虚函数表中，对应func函数的条目会被替换为Derived::func的地址。
   • 当执行Base* ptr = new Derived();时，编译器会为Derived对象分配内存，在对象的内存布局中，对象的首地址处会存放一个指针，该指针指向Derived类的虚函数表（vtable）。
2. 运行时阶段：
   • 当执行ptr->func();时，运行时系统首先会根据ptr所指向对象的首地址，找到其虚函数表指针。由于ptr指向的是Derived类对象，所以这个虚函数表指针指向Derived类的虚函数表。
   • 然后，运行时系统在虚函数表中查找func函数对应的条目，因为是Derived类的虚函数表，这里找到的是Derived::func的地址。
   • 最后，运行时系统通过找到的Derived::func的地址调用该函数，从而实现了多态性。
3. 虚函数表（vtable）的作用：
   • 实现多态性：虚函数表为运行时系统提供了一种机制，通过对象的虚函数表指针，运行时系统能够在运行时动态地确定应该调用哪个函数版本。对于不同类型的对象（如Base对象和Derived对象），即使通过基类指针来操作，也能根据对象实际类型对应的虚函数表找到正确的虚函数实现。
   • 存储虚函数地址：虚函数表存储了类中所有虚函数的地址。在类的继承体系中，每个类都有自己的虚函数表，它记录了该类及其基类虚函数在该类中的实现地址，使得运行时系统能够高效地进行函数调用的动态绑定。