面试题：C++ 指针在多态与虚函数表中的底层应用

1. 指针与虚函数表的协同工作原理

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）。虚函数表是一个存储虚函数地址的数组。每个包含虚函数的类对象都有一个隐藏的指针，称为虚指针（vptr），该指针指向类的虚函数表。

当通过基类指针调用虚函数时，首先会根据指针所指向对象的实际类型，找到对应的虚函数表。然后，在虚函数表中查找与被调用虚函数对应的函数地址，并调用该函数。这种机制实现了动态绑定，即根据对象的实际类型来决定调用哪个虚函数。

2. 底层实现原理

虚函数表的生成：编译器为每个包含虚函数的类生成一个虚函数表。虚函数表中的条目按照虚函数在类定义中的声明顺序排列。
虚指针的初始化：在对象构造时，编译器会将对象的虚指针（vptr）初始化为指向该对象所属类的虚函数表。
虚函数调用：当通过基类指针调用虚函数时，编译器会根据指针所指向对象的虚指针找到对应的虚函数表，然后在虚函数表中查找并调用相应的虚函数。

3. 具体代码说明

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void virtualFunction() {
        std::cout << "Base::virtualFunction" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void virtualFunction() override {
        std::cout << "Derived::virtualFunction" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();
    basePtr->virtualFunction(); // 动态绑定，调用 Derived::virtualFunction

    delete basePtr;
    return 0;
}

在上述代码中：

Base 类包含一个虚函数 virtualFunction。编译器会为 Base 类生成一个虚函数表，并在 Base 对象构造时初始化虚指针（vptr）指向该虚函数表。
Derived 类继承自 Base 类并重写了 virtualFunction。编译器会为 Derived 类生成一个新的虚函数表，该表中 virtualFunction 的条目指向 Derived::virtualFunction。Derived 对象构造时，虚指针（vptr）指向 Derived 类的虚函数表。
当 basePtr->virtualFunction() 被调用时，根据 basePtr 所指向的 Derived 对象的虚指针，找到 Derived 类的虚函数表，进而调用 Derived::virtualFunction。

4. 绕过正常虚函数调用机制

虽然不推荐实际使用，但为了探讨原理，可以通过直接操作虚函数表指针来绕过正常的虚函数调用机制。以下是一个示例代码：

#include <iostream>
#include <cstdint>

class Base {
public:
    virtual void virtualFunction() {
        std::cout << "Base::virtualFunction" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void virtualFunction() override {
        std::cout << "Derived::virtualFunction" << std::endl;
    }
};

typedef void (*VirtualFunctionPtr)();

void customFunction() {
    std::cout << "Custom function" << std::endl;
}

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();

    // 获取虚函数表指针
    uintptr_t* vtablePtr = reinterpret_cast<uintptr_t*>(*reinterpret_cast<uintptr_t*>(basePtr));

    // 获取虚函数表中第一个虚函数的地址
    VirtualFunctionPtr originalFunction = reinterpret_cast<VirtualFunctionPtr>(vtablePtr[0]);

    // 修改虚函数表中第一个虚函数的地址为 customFunction 的地址
    vtablePtr[0] = reinterpret_cast<uintptr_t>(customFunction);

    // 调用虚函数，此时会调用 customFunction
    basePtr->virtualFunction();

    // 恢复虚函数表中第一个虚函数的原始地址
    vtablePtr[0] = reinterpret_cast<uintptr_t>(originalFunction);

    // 再次调用虚函数，此时会调用 Derived::virtualFunction
    basePtr->virtualFunction();

    delete basePtr;
    return 0;
}

在上述代码中：

通过 reinterpret_cast 操作符获取对象的虚函数表指针，并获取虚函数表中第一个虚函数的地址。
修改虚函数表中第一个虚函数的地址为 customFunction 的地址，从而绕过正常的虚函数调用机制。
调用虚函数时，会调用 customFunction。最后恢复虚函数表中虚函数的原始地址，使虚函数调用恢复正常。这种做法依赖于特定的编译器和平台实现，可能在不同环境下无法正常工作，并且破坏了 C++ 的封装性和可维护性，因此不推荐在实际开发中使用。

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面试题：C++ 指针在多态与虚函数表中的底层应用

知识考点

面试题答案

1. 指针与虚函数表的协同工作原理

2. 底层实现原理

3. 具体代码说明

4. 绕过正常虚函数调用机制