面试题：C++虚函数继承中的多态与内存布局

Question

已知有类继承体系，`class A { virtual void f() { cout << "A::f" << endl; } }; class B : public A { virtual void f() { cout << "B::f" << endl; } }; class C : public B { virtual void f() { cout << "C::f" << endl; } };`。请分析在创建`C`类对象时，其内存布局情况，特别是虚函数表的结构，以及在不同类型指针（`A*`、`B*`、`C*`）指向`C`类对象时，调用`f`函数的过程和原理。

Answer 1

1. C类对象内存布局及虚函数表结构

1. 内存布局：
   • 当创建C类对象时，由于C继承自B，B继承自A，C对象的内存布局会包含A类子对象、B类子对象和C类自身的数据成员（如果有）。
   • 首先是A类部分的数据成员，接着是B类部分的数据成员（如果有新增的），最后是C类自身的数据成员（如果有新增的）。
   • 对于虚函数相关，在对象内存布局的开头会有一个虚指针（vptr），它指向虚函数表（vtable）。
2. 虚函数表结构：
   • A类的虚函数表中，f函数的入口地址是A::f的地址。
   • B类继承A类，重写了f函数，B类的虚函数表中，f函数的入口地址被替换为B::f的地址。
   • C类继承B类，重写了f函数，C类的虚函数表中，f函数的入口地址被替换为C::f的地址。C类对象中的虚指针指向的虚函数表就是这种结构，即虚函数表中f函数的入口是C::f的地址。

2. 不同类型指针指向C类对象时调用f函数的过程和原理

1. A*指针指向C类对象：
   • 当A* ptr = new C();时，ptr虽然是A*类型，但实际指向C类对象。
   • 调用ptr->f();时，首先通过ptr找到C类对象内存布局开头的虚指针，该虚指针指向C类的虚函数表。
   • 在虚函数表中找到f函数的入口地址（此时是C::f的地址），然后调用C::f函数。这就是多态的实现原理，通过虚函数表和虚指针，根据对象的实际类型（而不是指针类型）来调用合适的虚函数。
2. B*指针指向C类对象：
   • 当B* ptr = new C();时，同样ptr指向C类对象。
   • 调用ptr->f();时，过程与A*指针类似。通过ptr找到C类对象内存布局开头的虚指针，虚指针指向C类的虚函数表，在虚函数表中找到f函数的入口地址（C::f的地址），进而调用C::f函数。虽然ptr是B*类型，但由于多态机制，依然会调用到C类实际重写的f函数。
3. C*指针指向C类对象：
   • 当C* ptr = new C();时，调用ptr->f();。
   • 还是通过ptr找到C类对象内存布局开头的虚指针，虚指针指向C类的虚函数表，在虚函数表中找到f函数的入口地址（C::f的地址），从而调用C::f函数。在这种情况下，指针类型和对象实际类型一致，多态机制同样保证了正确调用到C类重写的f函数。

综上所述，不同类型指针指向C类对象时，通过虚指针和虚函数表机制，都能正确调用到C类重写的f函数，实现了多态行为。