面试题：C++ 虚基类对内存布局的影响

Question

详细阐述 C++ 虚基类是如何影响对象的内存布局的？在多重继承和虚继承结合的场景下，内存布局又有哪些特点？

Answer 1

虚基类对对象内存布局的影响

1. 单一虚继承场景
   • 在单一虚继承中，当一个类虚继承自另一个类（虚基类）时，派生类对象的内存布局会发生变化。派生类对象中会包含一个指向虚基类子对象的指针（通常称为虚基表指针，vbtptr）。
   • 例如，假设有类Base作为虚基类，类Derived虚继承自Base：

class Base {
public:
    int baseData;
};

class Derived : virtual public Base {
public:
    int derivedData;
};

• 在这种情况下，Derived对象的内存布局大致为：先存储vbtptr，然后是derivedData，vbtptr指向一个虚基表，虚基表中记录了Base子对象相对于Derived对象起始地址的偏移量。这样，通过vbtptr和虚基表，Derived对象可以找到其虚基类Base子对象的位置。

2. 优点
   • 这种布局方式的主要优点是，无论有多少个派生类通过虚继承继承自同一个虚基类，虚基类子对象在内存中只会存在一份，避免了多重继承中可能出现的基类子对象重复问题。

多重继承和虚继承结合场景下的内存布局特点

1. 内存布局结构
   • 当存在多重继承且部分基类是虚继承时，情况会更加复杂。假设类Base1和Base2是虚基类，类Derived多重继承自Base1和Base2，同时还从非虚基类Base3继承：

class Base1 {
public:
    int base1Data;
};

class Base2 {
public:
    int base2Data;
};

class Base3 {
public:
    int base3Data;
};

class Derived : virtual public Base1, virtual public Base2, public Base3 {
public:
    int derivedData;
};

• Derived对象的内存布局通常为：首先是Base1对应的虚基表指针（vbtptr1），接着是Base2对应的虚基表指针（vbtptr2），然后是Base3子对象（按照非虚继承的方式直接嵌入），再之后是derivedData。每个虚基表指针指向对应的虚基表，虚基表记录了相应虚基类子对象相对于Derived对象起始地址的偏移量。

2. 避免重复子对象
   • 这种布局确保了Base1和Base2的子对象在Derived对象中只存在一份，即使有多个派生路径可以到达它们。如果没有虚继承，在多重继承场景下，可能会出现Base1和Base2子对象的重复，导致内存浪费和命名冲突等问题。
3. 访问虚基类成员
   • 编译器会利用虚基表指针和虚基表来计算虚基类子对象的地址，以便正确访问虚基类的成员。例如，当访问Derived对象中的Base1成员时，会通过vbtptr1找到对应的虚基表，再根据虚基表中的偏移量定位到Base1子对象，从而访问其成员base1Data。