面试题：C++ 虚函数表与运行时类型识别（RTTI）的关联及实现原理

Question

阐述 C++ 虚函数表与运行时类型识别（RTTI）之间的内在联系。说明 RTTI 是如何借助虚函数表实现的，包括 typeid 运算符和 dynamic_cast 运算符在这种机制下的具体实现原理，以及可能涉及到的底层数据结构和操作。

Answer 1

虚函数表与 RTTI 的内在联系

1. 虚函数表：在 C++ 中，当一个类包含虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表（vtable）。每个包含虚函数的对象都有一个指向其所属类虚函数表的指针（vptr）。虚函数表是一个函数指针数组，存储了类中虚函数的地址。当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会根据 vptr 找到对应的虚函数表，进而调用正确的函数。
2. RTTI：运行时类型识别（RTTI）允许程序在运行时确定对象的实际类型。RTTI 主要通过 typeid 运算符和 dynamic_cast 运算符来实现。RTTI 依赖于虚函数机制，因为虚函数表为实现 RTTI 提供了关键信息。

RTTI 借助虚函数表的实现

1. typeid 运算符：
   • 原理：当对一个多态类型的对象或指针使用 typeid 运算符时，如果该对象是通过指针访问且指针类型为多态类型（即包含虚函数的类的指针），编译器会借助虚函数表来确定对象的实际类型。虚函数表的第一个条目通常存放了指向该类类型信息（type_info 对象）的指针。当使用 typeid 时，程序会沿着对象的 vptr 找到虚函数表，然后从虚函数表的第一个位置获取指向 type_info 对象的指针，通过这个 type_info 对象可以获取对象的实际类型信息，如类名等。
   • 底层数据结构：涉及虚函数表（vtable）和 type_info 结构体。type_info 结构体存储了类型的相关信息，如类型名称等。
2. dynamic_cast 运算符：
   • 原理：当使用 dynamic_cast 进行从基类指针或引用到派生类指针或引用的转换时，如果是多态类型，它会借助虚函数表来进行类型检查。它首先通过对象的 vptr 找到虚函数表，然后从虚函数表获取类型信息，与目标类型进行比较。如果类型匹配，则转换成功，返回指向派生类对象的指针或引用；如果不匹配，则返回空指针（对于指针转换）或抛出 std::bad_cast 异常（对于引用转换）。
   • 底层操作：在运行时遍历虚函数表获取类型信息并进行类型比较。如果是指针转换，在类型匹配时，计算目标对象在内存中的偏移量，以正确调整指针。

总结

虚函数表为 RTTI 的实现提供了关键的运行时信息。typeid 和 dynamic_cast 运算符借助虚函数表中的类型信息指针来确定对象的实际类型，实现运行时类型识别和安全的类型转换。 虚函数表、vptr 以及 type_info 结构体等底层数据结构共同协作，完成 RTTI 的各项功能。