C++面试八股文：override和finial关键字有什么作用？

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某日二师兄参加XXX科技公司的C++工程师开发岗位第22面：（二师兄好苦逼，节假日还在面试。。。）

面试官：C++的继承了解吗？

二师兄：（不好意思，你面到我的强项了。。）了解一些。

面试官：什么是虚函数，为什么需要虚函数？

二师兄：虚函数允许在基类中定义一个函数，然后在派生类中进行重写（override）。

二师兄：主要是为了实现面向对象中的三大特性之一多态。多态允许在子类中重写父类的虚函数，同样的函数在子类和父类实现不同的形态，简称为多态。

面试官：你知道override和finial关键字的作用吗？

二师兄：override关键字告诉编译器，这个函数一定会重写父类的虚函数，如果父类没有这个虚函数，则无法通过编译。此关键字可省略，但不建议省略。

二师兄：finial关键字告诉编译器，这个函数到此为止，如果后续有类继承当前类，也不能再重写此函数。

二师兄：这两个关键字都是C++11引入的，为了提升C++面向对象编码的安全性。

面试官：你知道多态是怎么实现的吗？

二师兄：（起开，我要开始装逼了！）C++主要使用了虚指针和虚表来实现多态。在拥有虚函数的对象中，包含一个虚指针（virtual pointer）（一般位于对象所在内存的起始位置），这个虚指针指向一个虚表（virtual table），虚表中记录了虚函数的真实地址。

#include <iostream>
struct Foo
{
    size_t a = 42;
    virtual void fun1() {std::cout <<"Foo::fun1" << std::endl;}
    virtual void fun2() {std::cout <<"Foo::fun2" << std::endl;}
    virtual void fun3() {std::cout <<"Foo::fun3" << std::endl;}
};

struct Goo: Foo{
    size_t b = 1024;
    virtual void fun1() override {std::cout <<"Goo::fun1" << std::endl;}
    virtual void fun3() override {std::cout <<"Goo::fun3" << std::endl;}
};

using PF = void(*)();

void test(Foo* pf)
{
    size_t* virtual_point = (size_t*)pf;

    PF* pf1 = (PF*)*virtual_point;  
    PF* pf2 = pf1 + 1;  //偏移8字节 到下一个指针 fun2
    PF* pf3 = pf1 + 2;  //偏移16字节 到下下一个指针 fun3

    (*pf1)();   //Foo::fun1 or Goo::fun1 取决于pf的真实类型
    (*pf2)();   //Foo::fun2
    (*pf3)();   //Foo::fun3 or Goo::fun3 取决于pf的真实类型
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    Foo* fp = new Foo;
    test(fp);
    
    fp = new Goo;
    test(fp);

    size_t* virtual_point = (size_t*)fp;
    size_t* ap = virtual_point + 1;
    size_t* bp = virtual_point + 2;
    
    std::cout << *ap << std::endl;  //42
    std::cout << *bp << std::endl;  //1024
}

C++面试八股文：override和finial关键字有什么作用？

二师兄：当初始化虚表时，会把当前类override的函数地址写到虚表中（Goo::fun1、Goo::fun3），对于基类中的虚函数但是派生类中没有override，则会把基类的函数地址写到虚表中（Foo::fun2），在调用函数的时候，会通过虚指针转到虚表，并根据虚函数的偏移得到真实函数地址，从而实现多态。

面试官：不错。上图你画出了单一继承的内存布局，那多继承呢？

二师兄：多继承内存布局类似，只不过会多几个virtual pointer。

#include <iostream>
struct Foo1
{
    size_t a = 42;
    virtual void fun1() {std::cout <<"Foo1::fun1" << std::endl;}
    virtual void fun2() {std::cout <<"Foo1::fun2" << std::endl;}
    virtual void fun3() {std::cout <<"Foo1::fun3" << std::endl;}
};

struct Foo2{
    size_t b = 1024;
    virtual void fun4()  {std::cout <<"Foo2::fun4" << std::endl;}
    virtual void fun5()  {std::cout <<"Foo2::fun5" << std::endl;}
};

struct Foo3{
    size_t c = 0;
    virtual void fun6()  {std::cout <<"Foo3::fun1" << std::endl;}
    virtual void fun7()  {std::cout <<"Foo3::fun3" << std::endl;}
};

struct Goo: public Foo1, public Foo2, public Foo3
{
    virtual void fun2() override {std::cout <<"Goo::fun2" << std::endl;}
    virtual void fun6() override {std::cout <<"Goo::fun6" << std::endl;}
};

int main(int argc, char const *argv[])
{
    Goo g;
    g.fun1();   //Foo1::fun1
    g.fun2();   //Goo::fun2
    g.fun3();   //Foo1::fun3
    g.fun4();   //Foo2::fun4
    g.fun5();   //Foo2::fun5
    g.fun6();   //Goo::fun6
    g.fun7();   //Foo3::fun7
}

C++面试八股文：override和finial关键字有什么作用？

面试官：你知道什么是菱形继承吗？菱形继承会引发什么问题？如何解决？

二师兄：菱形继承（Diamond Inheritance）是指在继承层次结构中，如果两个不同的子类B和C继承自同一个父类A，而又有一个类D同时继承B和C，这种继承关系被称为菱形继承。

C++面试八股文：override和finial关键字有什么作用？

二师兄：因为B和C各继承了一份A，当D继承B和C的时候就会有2份A；

#include <iostream>
struct A
{
    int val = 42;
    virtual void fun(){std::cout <<"A::fun" << std::endl;}
};
struct B: public A{ void fun() override{std::cout <<"B::fun" << std::endl;}};
struct C: public A{ void fun() override{std::cout <<"C::fun" << std::endl;}};
struct D: public B, public C{void fun() override{std::cout <<"D::fun" << std::endl;}};
int main(int argc, char const *argv[])
{
   	D d;
    std::cout << d.val << std::endl;	//编译失败，不知道调用从哪个类中继承的val变量
    d.fun(); 	//编译失败，不知道调用从哪个类中继承的fun函数
}

二师兄：解决的办法有两种，一种是在调用符之前加上父类限定符：

std::cout << d.B::val << std::endl; //42
d.C::fun();     //C::fun

二师兄：但这里并没有解决数据冗余的问题，因为D中有B和C，而B和C各有一个虚表和一个int类型的成员变量，所以sizeof(D)的大小是32（x86_64架构，考虑到内存对齐）。

二师兄：所幸在C++11引入了虚继承（Virtual Inheritance）机制，从源头上解决了这个问题：

#include <iostream>
struct A
{
    int val = 42;
    virtual void fun(){std::cout <<"A::fun" << std::endl;}
};
struct B: virtual public A{ void fun() override{std::cout <<"B::fun" << std::endl;}};
struct C: virtual public A{ void fun() override{std::cout <<"C::fun" << std::endl;}};
struct D: public B, public C{void fun() override{std::cout <<"D::fun" << std::endl;}};
int main(int argc, char const *argv[])
{
    D d;
    std::cout << d.val << std::endl; //42
    d.fun();     //D::fun
}

二师兄：此时在对象d中，只包含了一个val和两个虚指针，成员变量的冗余问题得到解决。

面试官：一般我们认为多态会影响性能，你举得为什么影响性能？

二师兄：大多数人认为，虚函数的调用会先通过虚指针跳到虚函数表，然后通过偏移确定函数真实地址，再跳转到地址执行，是间接调用导致了性能损失。

二师兄：但实际上无法内联才是虚函数性能低于正常函数的主要原因。由于多态是运行时特征，在编译时编译器并不知道指针指向的函数地址，所以无法被内联。同时跳转到特定地址执行函数可能引发的L1 cache miss（空间局部性不好），这也会影响性能。

面试官：虚函数的调用一定是非内联的吗？

二师兄：不是。现代编译器很聪明，如果编译器能够在编译时推断出真实的函数，可能会直接内联这个虚函数。虚函数的调用是否内联取决于编译器的实现和上下文。

面试官：你觉得多态在安全性上有没有什么问题？

二师兄：的确是有的。当我们把类中的虚函数定义为private的时候，虽然我们不能通过类的对象去访问这个函数，但我们知道这个函数就在虚函数表中，可以通过特殊的方法（上文中已经给出示例）访问它：

#include <iostream>
struct Foo
{
private:
    virtual void fun() {std::cout << "Foo::fun" << std::endl;}
};

int main(int argc, char const *argv[])
{
    Foo f;
    //f.fun();  //编译错误
    using Fun = void(*)();
    size_t* virtual_point = (size_t*)&f;
    Fun* fun = (Fun*)*virtual_point;
    (*fun)();
}