面试题：C++ 多重继承下虚指针的作用机制

Question

在 C++ 的多重继承场景中，一个派生类从多个含有虚函数的基类继承。请详细说明虚指针在此情况下是如何工作的，内存布局是怎样的，以及编译器如何通过虚指针和虚函数表来调用正确的虚函数？

Answer 1

虚指针的工作原理

1. 概念：虚指针（vptr）是一个指向虚函数表（vtable）的指针。在含有虚函数的类对象中，虚指针通常位于对象内存布局的开头。
2. 赋值时机：当创建一个派生类对象时，编译器会在构造函数中初始化虚指针，使其指向对应的虚函数表。对于多重继承的派生类，可能会有多个虚指针，分别对应不同基类的虚函数表。

内存布局

1. 单一基类情况：对于单一基类且含有虚函数的情况，对象内存布局一般为：vptr（指向该基类的虚函数表） + 其他成员变量。
2. 多重继承情况：
   • 派生类从多个含有虚函数的基类继承时，内存布局会相对复杂。通常每个基类的虚指针（如果有）会按照继承顺序排列在对象内存布局的前面，然后是派生类自身的成员变量。
   • 例如，假设有 class Base1 { virtual void func1(); };，class Base2 { virtual void func2(); }，class Derived : public Base1, public Base2 { /*... */ };，那么 Derived 对象的内存布局可能是：Base1的vptr + Base2的vptr + Derived类成员变量。
   • 每个虚函数表（vtable）中存放着对应基类及其派生类中虚函数的地址。如果派生类重写了基类的虚函数，虚函数表中对应的函数地址会被替换为派生类中重写函数的地址。

编译器调用正确虚函数的方式

1. 通过虚指针找到虚函数表：当通过对象指针或引用调用虚函数时，编译器首先根据对象的类型确定虚指针的位置（因为虚指针位置在对象布局中是固定的）。然后通过虚指针找到对应的虚函数表。
2. 在虚函数表中查找函数地址：虚函数表中每个条目对应一个虚函数的地址。编译器根据虚函数在虚函数表中的索引（这个索引是在编译期确定的，基于虚函数声明的顺序）找到具体虚函数的地址。
3. 调用函数：找到虚函数的地址后，编译器生成代码来调用该函数，从而实现动态绑定，确保调用的是运行时对象实际类型所对应的虚函数版本。