面试题：C++ 虚基类对象内存布局之高级难度

Question

在 C++ 中，假设存在一个复杂的类继承层次结构，包含多个虚基类和普通继承关系。请详细分析在这种情况下，对象内存布局会受到哪些因素的影响，并举例说明如何通过代码获取对象内存布局的相关信息。

Answer 1

一、对象内存布局的影响因素

1. 虚基类：

   • 虚基类会导致对象内存布局的变化。当存在虚基类时，为了实现虚基类子对象的共享，编译器会引入额外的指针或偏移量信息。例如，在多重继承中，如果有多个派生类继承自同一个虚基类，这些派生类对象中对于虚基类子对象只会有一份实例，通过特定的机制来访问。
   • 编译器会在对象中添加一个指向虚基类子对象的指针（或者偏移量信息），这个指针通常被称为虚基类指针（vbp）。这会增加对象的大小，并影响对象内存布局中成员变量的相对位置。

2. 普通继承关系：

   • 对于普通继承，派生类对象会包含基类的子对象。基类子对象会按照继承顺序依次放置在派生类对象的内存空间中。例如，若有class A，class B : public A，class C : public B，那么C对象的内存布局中，A子对象在最前面，接着是B子对象（不包括A部分，因为A已包含在前面），最后是C自己的成员变量。
   • 基类的访问权限（public、protected、private）不会直接影响对象内存布局，但会影响派生类对基类成员的访问方式。

3. 虚函数：

   • 如果类中包含虚函数，会有一个虚函数表指针（vptr）。这个指针指向一个虚函数表（vtbl），虚函数表中存储了虚函数的地址。虚函数表指针通常位于对象内存布局的起始位置（在某些编译器实现下）。当有多个虚函数时，虚函数表会按照声明顺序存储虚函数地址。这不仅会增加对象的大小（通常为一个指针的大小，如在 64 位系统中为 8 字节），还会影响对象内存布局。

二、通过代码获取对象内存布局相关信息的示例

#include <iostream>
#include <cstdint>

class Base {
public:
    virtual void virtualFunction() {}
    int baseData;
};

class Derived : public Base {
public:
    int derivedData;
};

class VirtualBase {
public:
    virtual void virtualFunction() {}
    int virtualBaseData;
};

class DerivedWithVirtualBase : virtual public VirtualBase {
public:
    int derivedWithVirtualBaseData;
};

int main() {
    std::cout << "Size of Base: " << sizeof(Base) << " bytes" << std::endl;
    std::cout << "Offset of baseData in Base: " << offsetof(Base, baseData) << " bytes" << std::endl;

    std::cout << "Size of Derived: " << sizeof(Derived) << " bytes" << std::endl;
    std::cout << "Offset of derivedData in Derived: " << offsetof(Derived, derivedData) << " bytes" << std::endl;

    std::cout << "Size of VirtualBase: " << sizeof(VirtualBase) << " bytes" << std::endl;
    std::cout << "Offset of virtualBaseData in VirtualBase: " << offsetof(VirtualBase, virtualBaseData) << " bytes" << std::endl;

    std::cout << "Size of DerivedWithVirtualBase: " << sizeof(DerivedWithVirtualBase) << " bytes" << std::endl;
    std::cout << "Offset of derivedWithVirtualBaseData in DerivedWithVirtualBase: " << offsetof(DerivedWithVirtualBase, derivedWithVirtualBaseData) << " bytes" << std::endl;

    return 0;
}

1. sizeof操作符：用于获取对象的大小。通过sizeof(Base)、sizeof(Derived)等可以了解不同类对象的总体大小，从侧面反映内存布局对对象大小的影响。
2. offsetof宏：定义在<cstdint>头文件中，用于获取结构体或类中某个成员的偏移量。例如，offsetof(Base, baseData)可以获取baseData在Base类对象中的偏移量，帮助分析对象内存布局中成员变量的位置关系。

通过上述代码和分析，可以对存在复杂继承层次结构（包括虚基类和普通继承关系）的对象内存布局有更深入的理解和探究。