浅谈C++对象的内存分布和虚函数表

C++对象的内存分布和虚函数表是C++中非常重要的一个知识点。在本篇攻略中，我将详细讲解这个知识点，主要包括以下内容：

1. C++对象的内存分布

2. 虚函数表的概念

3. 虚函数表的实现

4. 示例说明

一、C++对象的内存分布

C++对象在内存中的分布一般包括以下几个部分：

1. 对象头部分：一般包括虚函数表指针和类型信息指针；

2. 对象的成员变量部分：对象的所有成员变量都存放在这里；

3. 对象的函数部分：对象的非虚函数也会被存放在这里。

总的来说，一个C++对象的内存分布可以用下面的图示表示：

   ------------------
   |   VTablePtr     |  ---> 虚函数表指针
   ------------------
   |   TypeInfoPtr   |  ---> 类型信息指针
   ------------------
   |  MemberVar1     |
   |  MemberVar2     |
   |      ...        |  ---> 成员变量
   |  MemberVarN     |
   ------------------
   |  Non-Virtual    |
   |    Func1        |
   |    Func2        |
   |      ...        |  ---> 非虚函数
   |    FuncN        |
   ------------------

二、虚函数表的概念

虚函数表是C++中用于实现多态的一种机制。每个包含虚函数的类都有一个对应的虚函数表，虚函数表中存放着这个类的虚函数的地址。虚函数表是一个指向函数地址数组的指针，数组中存放的是函数地址，每个位置对应一个虚函数。

子类继承了父类中的虚函数，并且可以重写虚函数，如果子类重写了虚函数，则会更新虚函数表中相应的函数地址。

三、虚函数表的实现

虚函数表的实现是由编译器自动完成的，编译器会在类中添加一个隐藏的虚函数表指针成员变量（即上面提到的对象头部分中的虚函数表指针），并且在类的构造函数中初始化这个指针，指向该类的虚函数表。虚函数表指针是一个指向虚函数表的指针。

虚函数表的实现方式可以用下面的示例说明：

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    virtual void foo() { cout << "A::foo()" << endl; }
};

class B : public A {
public:
    virtual void foo() { cout << "B::foo()" << endl; }
    virtual void bar() { cout << "B::bar()" << endl; }
};

int main() {
    B b;
    long long* pVTable = (long long*)(*(long long*)&b);  // 取出b的虚函数表指针
    long long* pFunc = (long long*)*(pVTable + 1);  // 取出B::foo()的地址
    void (*f)() = (void (*)())pFunc;  // 转换为函数指针
    f();  // 调用B::foo()
    return 0;
}

对上述代码的解释：

1. 程序中定义了两个类A和B，B是A的子类。

2. B类覆写了父类的虚函数foo()，并且增加了一个新的虚函数bar()。

3. 在程序中定义了一个B类的对象b。

4. 通过*(long long*)&b的方式，获得了b的虚函数表指针。

5. 对于B类中的foo()函数，它是虚函数，它的函数地址存储在虚函数表中，通过*(pVTable + 1)的方式，取出了B::foo()的地址。

6. 将B::foo()的地址转化成函数指针，并且通过指针调用它。

四、示例说明

在下面的示例中，我们定义了一个简单的图形类Shape，它有两个成员变量x和y，以及一个纯虚函数area()。由于area()是一个纯虚函数，所以Shape类是一个抽象类，不能直接实例化。

我们又定义了两个派生类Rectangle和Circle，它们都继承了Shape类，重载了area()函数，分别实现了矩形和圆的面积计算。

#include <iostream>
using namespace std;

class Shape {
public:
    Shape(int x, int y) : x_(x), y_(y) {}
    virtual ~Shape() {}
    virtual double area() = 0;
protected:
    int x_, y_;
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(int x, int y, int w, int h) : Shape(x, y), w_(w), h_(h) {}
    virtual double area() override { return w_ * h_; }
private:
    int w_, h_;
};

class Circle : public Shape {
public:
    Circle(int x, int y, int r) : Shape(x, y), r_(r) {}
    virtual double area() override { return r_ * r_ * 3.1415926; }
private:
    int r_;
};

int main() {
    Shape* shapes[] = {
        new Rectangle(0, 0, 10, 20),
        new Circle(0, 0, 5)
    };
    for (auto s : shapes) {
        cout << "Area: " << s->area() << endl;
    }
    return 0;
}

我们通过输出两个图形的面积，来演示多态的效果。

完整的代码可以在这里找到。