面试题：C++ 类的内存布局与虚函数机制

Question

假设存在一个继承体系，基类包含虚函数，派生类重写了该虚函数。请描述这个继承体系中对象的内存布局是怎样的，虚函数表在其中起到什么作用，以及程序在运行时如何通过虚函数表来调用虚函数。

Answer 1

1. 对象内存布局
   • 基类对象：
     • 基类对象包含自身的数据成员。如果有虚函数，还会包含一个虚指针（vptr）。虚指针指向虚函数表（vtable）。
   • 派生类对象：
     • 派生类对象首先包含基类部分的数据成员和虚指针（如果基类有虚函数），这部分与基类对象布局相同。然后是派生类自身新增的数据成员。如果派生类重写了基类的虚函数，虚函数表中的相应条目会被替换为派生类重写的虚函数地址。
2. 虚函数表的作用
   • 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（或从包含虚函数的类派生而来的类）都有一个虚函数表。它的作用是为运行时多态性提供支持。当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序可以根据对象实际的类型（在运行时确定），从虚函数表中找到正确的虚函数地址并调用。
3. 通过虚函数表调用虚函数的过程
   • 当通过基类指针或引用调用虚函数时：
     • 首先，程序根据对象的内存布局找到虚指针（vptr），虚指针指向虚函数表。
     • 然后，根据调用的虚函数在虚函数表中的索引位置，找到对应的虚函数地址。不同的虚函数在虚函数表中有不同的索引。
     • 最后，程序跳转到找到的虚函数地址处执行该虚函数的代码。例如，如果基类指针实际指向一个派生类对象，派生类重写了虚函数，那么虚函数表中对应条目的地址就是派生类虚函数的地址，程序就会执行派生类的虚函数代码。