面试题：C++ struct内存布局在继承与多态下的表现

Question

class Base { public: virtual void func() {} int a; }; struct Derived : public Base { char b; double c; }; 请详细分析Derived实例化对象的内存布局，解释在继承和虚函数存在的情况下，内存布局遵循怎样的规则，以及如何确定其大小。

Answer 1

1. 内存布局分析
   • 虚函数表指针：由于Base类中有虚函数func，Derived类继承自Base，所以Derived类的对象中会首先包含一个虚函数表指针（vptr）。这个指针指向一个虚函数表（vtable），虚函数表中存储了虚函数的地址。在Base类中，虚函数表中存储了Base::func的地址，Derived类如果没有重写func，则虚函数表中对应项仍然是Base::func的地址；如果Derived类重写了func，则虚函数表中该项是Derived::func的地址。
   • 基类成员：接下来是基类Base的成员。Base类中有一个int类型的成员变量a，其大小为4字节（假设在32位或64位系统下int为4字节）。
   • 派生类成员：然后是派生类Derived自己的成员。Derived类有一个char类型的成员变量b，大小为1字节，以及一个double类型的成员变量c，大小为8字节。
2. 内存布局规则
   • 继承规则：派生类对象的内存布局首先包含基类子对象的内存布局，然后是派生类自己新增的成员。这确保了派生类对象可以像基类对象一样使用，满足多态性和继承的语义。
   • 虚函数规则：含有虚函数的类（或从含有虚函数的类派生而来的类）的对象，其内存布局的开头会放置一个虚函数表指针，用于在运行时动态绑定虚函数。
3. 确定大小
   • 对齐规则：在计算对象大小时，需要考虑内存对齐。假设默认对齐方式（通常为最大成员变量的大小对齐，这里double大小为8字节，所以按8字节对齐）。
   • 计算过程：虚函数表指针大小通常为4字节（32位系统）或8字节（64位系统），这里假设64位系统，vptr为8字节。a为4字节，补齐到8字节（因为要按8字节对齐），b为1字节，补齐到8字节，c为8字节。
   • 最终大小：所以Derived类对象的大小为8 + 8 + 8 + 8 = 32字节。

综上所述，Derived类实例化对象的内存布局为虚函数表指针在前，接着是基类Base的成员a（可能有补齐），然后是派生类Derived的成员b（可能有补齐）和c，其大小为32字节（在上述假设的64位系统和对齐方式下）。