面试题：C++虚函数多态在复杂继承体系中的应用

Question

假设有一个多层继承的C++类体系，基类A有一个虚函数func()。中间类B继承自A并覆盖func()，最终派生类C继承自B也覆盖func()。当通过一个指向C对象的A类型指针来调用func()时，描述整个函数查找和调用的过程，包括编译器和运行时分别做了哪些操作。

Answer 1

1. 编译器操作：
   • 编译器在编译时，看到通过 A 类型指针调用 func() 函数。由于 func() 是虚函数，编译器不会直接生成调用具体函数的代码，而是生成通过虚函数表指针（vptr）间接调用函数的代码。
   • 编译器为每个包含虚函数的类（这里的 A、B、C）生成一个虚函数表（vtable）。虚函数表是一个函数指针数组，每个元素指向类中虚函数的实际实现。
   • 在 A 的虚函数表中，func() 对应的表项指向 A::func() 的实现。当 B 覆盖 func() 时，B 的虚函数表中 func() 对应的表项指向 B::func() 的实现。同理，C 的虚函数表中 func() 对应的表项指向 C::func() 的实现。
   • 对于每个对象，编译器在对象的内存布局中添加一个虚函数表指针（vptr），该指针指向对应类的虚函数表。
2. 运行时操作：
   • 当程序运行到通过 A 类型指针调用 func() 时，首先根据该指针找到对应的对象。因为对象内存布局中第一个成员就是虚函数表指针（vptr），通过这个 vptr 找到对象所属类（这里是 C 类）的虚函数表。
   • 在 C 类的虚函数表中，找到 func() 对应的函数指针。由于 C 覆盖了 func()，虚函数表中 func() 对应的指针指向 C::func() 的实现。
   • 最后，通过找到的函数指针调用 C::func() 函数。