面试题：请介绍 C++ 多态的实现原理？

C++ 中的多态（Polymorphism）是面向对象编程的核心特性之一，它允许通过基类的指针或引用来调用派生类的重写函数。多态的实现依赖于虚函数（virtual function）和动态绑定（dynamic binding）。理解多态的实现原理需要从虚函数表（vtable）和虚函数表指针（vptr）入手。

多态的实现原理

1. 虚函数（Virtual Function）

虚函数是在基类中使用 virtual 关键字声明的成员函数。
派生类可以重写（override）虚函数，提供自己的实现。

2. 虚函数表（vtable）

虚函数表是一个存储虚函数地址的数组。
每个包含虚函数的类都有一个对应的虚函数表。
虚函数表中存储的是该类所有虚函数的地址。
示例：
- Base 类的虚函数表存储 Base::show 的地址。
- Derived 类的虚函数表存储 Derived::show 的地址。

3. 虚函数表指针（vptr）

每个包含虚函数的对象在内存中都有一个隐藏的虚函数表指针（vptr）。
vptr 指向该对象所属类的虚函数表。
示例：
- Base 对象的 vptr 指向 Base 的虚函数表。
- Derived 对象的 vptr 指向 Derived 的虚函数表。

4. 动态绑定（Dynamic Binding）

当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会根据对象的实际类型（而不是指针或引用的类型）查找虚函数表，并调用正确的函数。
这种机制称为动态绑定或运行时多态。

多态的实现步骤

编译器生成虚函数表：
- 对于每个包含虚函数的类，编译器会生成一个虚函数表。
- 虚函数表中存储该类所有虚函数的地址。
对象包含虚函数表指针：
- 每个对象在构造时，其 vptr 会被初始化为指向所属类的虚函数表。
调用虚函数时的查找过程：
- 当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会：
  1. 通过对象的 vptr 找到虚函数表。
  2. 在虚函数表中查找虚函数的地址。
  3. 调用该地址对应的函数。

示例代码

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void show() { std::cout << "Base show" << std::endl; }
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() override { std::cout << "Derived show" << std::endl; }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived(); // 基类指针指向派生类对象
    ptr->show(); // 调用 Derived::show
    delete ptr;
    return 0;
}

输出：

Derived show

多态的优点

代码扩展性：
- 可以在不修改基类代码的情况下，通过派生类扩展功能。
接口与实现分离：
- 基类定义接口，派生类提供具体实现。
运行时灵活性：
- 程序在运行时根据对象的实际类型调用正确的函数。

注意事项

虚函数的开销：
- 虚函数表和多态机制会引入额外的内存开销（存储 vptr 和虚函数表）。
- 虚函数调用比普通函数调用稍慢，因为需要通过 vptr 查找虚函数表。

析构函数应为虚函数：

如果基类的析构函数不是虚函数，通过基类指针删除派生类对象时，只会调用基类的析构函数，导致派生类部分的内存泄漏。

示例：

class Base {
public:
    virtual ~Base() { std::cout << "Base destroyed" << std::endl; }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() { std::cout << "Derived destroyed" << std::endl; }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    delete ptr; // 正确调用 Derived 和 Base 的析构函数
    return 0;
}