面试题：C++派生新类时复杂类层次结构的变化

Question

假设有一个多层继承的C++类层次结构，A为最顶层基类，B继承自A，C继承自B。现在要从C类派生新类D，在派生过程中，如果需要重新定义基类中的虚函数，应如何确保整个类层次结构的多态性正确实现？同时说明在这种情况下，类层次结构的内存布局可能会发生怎样的变化？

Answer 1

确保多态性正确实现的方法

1. 在基类中声明虚函数：在A类中声明虚函数，例如：

class A {
public:
    virtual void virtualFunction() = 0; // 纯虚函数示例，也可以是普通虚函数
};

2. 在派生类中重写虚函数：B类、C类和D类都要重写该虚函数，使用override关键字明确标识重写（C++11及以后），以提高代码的可读性和编译器的错误检查能力。

class B : public A {
public:
    void virtualFunction() override {
        // 实现代码
    }
};

class C : public B {
public:
    void virtualFunction() override {
        // 实现代码
    }
};

class D : public C {
public:
    void virtualFunction() override {
        // 实现代码
    }
};

3. 通过指针或引用调用虚函数：在使用类对象时，通过基类指针或引用调用虚函数，以确保运行时多态性的正确实现。

A* ptr = new D();
ptr->virtualFunction(); // 调用D类的virtualFunction
delete ptr;

内存布局变化

1. 增加虚函数表指针：如果基类A中有虚函数，那么A类对象的内存布局中会增加一个虚函数表指针（vptr），指向虚函数表（vtbl）。虚函数表是一个函数指针数组，存放着类中虚函数的地址。
2. 派生类继承虚函数表指针：B、C、D类对象同样会继承这个虚函数表指针。当B、C、D类重写虚函数时，虚函数表中的相应函数指针会被替换为派生类中重写函数的地址。
3. 内存布局扩展：随着类层次结构的加深，派生类可能会增加自己的数据成员，这会导致对象的内存布局在继承的基础上进一步扩展。例如，D类对象的内存布局会包含A、B、C类的数据成员以及D类自身的数据成员，同时还有虚函数表指针。

总之，通过正确声明和重写虚函数，并使用指针或引用调用虚函数，可以确保多态性的正确实现；而多层继承会使对象的内存布局在继承基类成员的基础上不断扩展，同时虚函数表指针会贯穿整个类层次结构，用于实现运行时多态。