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C++面試八股文之override和finial關(guān)鍵字有何作用

更新時(shí)間：2023年06月23日 09:04:17 作者：binarch

C++11中的override和final關(guān)鍵字是為了增強(qiáng)代碼的編譯時(shí)類型檢查和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中的繼承機(jī)制,下面這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于C++面試八股文之override和finial關(guān)鍵字有何作用的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

某日二師兄參加XXX科技公司的C++工程師開發(fā)崗位第22面：（二師兄好苦逼，節(jié)假日還在面試。。。）

面試官：C++的繼承了解嗎？

二師兄：（不好意思，你面到我的強(qiáng)項(xiàng)了。。）了解一些。

面試官：什么是虛函數(shù)，為什么需要虛函數(shù)？

二師兄：虛函數(shù)允許在基類中定義一個(gè)函數(shù)，然后在派生類中進(jìn)行重寫（override）。

二師兄：主要是為了實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笾械娜筇匦灾欢鄳B(tài)。多態(tài)允許在子類中重寫父類的虛函數(shù)，同樣的函數(shù)在子類和父類實(shí)現(xiàn)不同的形態(tài)，簡稱為多態(tài)。

面試官：你知道override和finial關(guān)鍵字的作用嗎？

二師兄：override關(guān)鍵字告訴編譯器，這個(gè)函數(shù)一定會(huì)重寫父類的虛函數(shù)，如果父類沒有這個(gè)虛函數(shù)，則無法通過編譯。此關(guān)鍵字可省略，但不建議省略。

二師兄：finial關(guān)鍵字告訴編譯器，這個(gè)函數(shù)到此為止，如果后續(xù)有類繼承當(dāng)前類，也不能再重寫此函數(shù)。

二師兄：這兩個(gè)關(guān)鍵字都是C++11引入的，為了提升C++面向?qū)ο缶幋a的安全性。

面試官：你知道多態(tài)是怎么實(shí)現(xiàn)的嗎？

二師兄：（起開，我要開始裝逼了?。〤++主要使用了虛指針和虛表來實(shí)現(xiàn)多態(tài)。在擁有虛函數(shù)的對(duì)象中，包含一個(gè)虛指針（virtual pointer）（一般位于對(duì)象所在內(nèi)存的起始位置），這個(gè)虛指針指向一個(gè)虛表（virtual table），虛表中記錄了虛函數(shù)的真實(shí)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字節(jié) 到下一個(gè)指針 fun2
    PF* pf3 = pf1 + 2;  //偏移16字節(jié) 到下下一個(gè)指針 fun3
    (*pf1)();   //Foo::fun1 or Goo::fun1 取決于pf的真實(shí)類型
    (*pf2)();   //Foo::fun2
    (*pf3)();   //Foo::fun3 or Goo::fun3 取決于pf的真實(shí)類型
}
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
}

二師兄：當(dāng)初始化虛表時(shí)，會(huì)把當(dāng)前類override的函數(shù)地址寫到虛表中（Goo::fun1、Goo::fun3），對(duì)于基類中的虛函數(shù)但是派生類中沒有override，則會(huì)把基類的函數(shù)地址寫到虛表中（Foo::fun2），在調(diào)用函數(shù)的時(shí)候，會(huì)通過虛指針轉(zhuǎn)到虛表，并根據(jù)虛函數(shù)的偏移得到真實(shí)函數(shù)地址，從而實(shí)現(xiàn)多態(tài)。

面試官：不錯(cuò)。上圖你畫出了單一繼承的內(nèi)存布局，那多繼承呢？

二師兄：多繼承內(nèi)存布局類似，只不過會(huì)多幾個(gè)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
}

面試官：你知道什么是菱形繼承嗎？菱形繼承會(huì)引發(fā)什么問題？如何解決？

二師兄：菱形繼承（Diamond Inheritance）是指在繼承層次結(jié)構(gòu)中，如果兩個(gè)不同的子類B和C繼承自同一個(gè)父類A，而又有一個(gè)類D同時(shí)繼承B和C，這種繼承關(guān)系被稱為菱形繼承。

二師兄：因?yàn)锽和C各繼承了一份A，當(dāng)D繼承B和C的時(shí)候就會(huì)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;	//編譯失敗，不知道調(diào)用從哪個(gè)類中繼承的val變量
    d.fun(); 	//編譯失敗，不知道調(diào)用從哪個(gè)類中繼承的fun函數(shù)
}

二師兄：解決的辦法有兩種，一種是在調(diào)用符之前加上父類限定符：

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

二師兄：但這里并沒有解決數(shù)據(jù)冗余的問題，因?yàn)镈中有B和C，而B和C各有一個(gè)虛表和一個(gè)int類型的成員變量，所以sizeof(D)的大小是32（x86_64架構(gòu)，考慮到內(nèi)存對(duì)齊）。

二師兄：所幸在C++11引入了虛繼承（Virtual Inheritance）機(jī)制，從源頭上解決了這個(gè)問題：

#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
}

二師兄：此時(shí)在對(duì)象d中，只包含了一個(gè)val和兩個(gè)虛指針，成員變量的冗余問題得到解決。

面試官：一般我們認(rèn)為多態(tài)會(huì)影響性能，你舉得為什么影響性能？

二師兄：大多數(shù)人認(rèn)為，虛函數(shù)的調(diào)用會(huì)先通過虛指針跳到虛函數(shù)表，然后通過偏移確定函數(shù)真實(shí)地址，再跳轉(zhuǎn)到地址執(zhí)行，是間接調(diào)用導(dǎo)致了性能損失。

二師兄：但實(shí)際上無法內(nèi)聯(lián)才是虛函數(shù)性能低于正常函數(shù)的主要原因。由于多態(tài)是運(yùn)行時(shí)特征，在編譯時(shí)編譯器并不知道指針指向的函數(shù)地址，所以無法被內(nèi)聯(lián)。同時(shí)跳轉(zhuǎn)到特定地址執(zhí)行函數(shù)可能引發(fā)的L1 cache miss（空間局部性不好），這也會(huì)影響性能。

面試官：虛函數(shù)的調(diào)用一定是非內(nèi)聯(lián)的嗎？

二師兄：不是?，F(xiàn)代編譯器很聰明，如果編譯器能夠在編譯時(shí)推斷出真實(shí)的函數(shù)，可能會(huì)直接內(nèi)聯(lián)這個(gè)虛函數(shù)。虛函數(shù)的調(diào)用是否內(nèi)聯(lián)取決于編譯器的實(shí)現(xiàn)和上下文。

面試官：你覺得多態(tài)在安全性上有沒有什么問題？

二師兄：的確是有的。當(dāng)我們把類中的虛函數(shù)定義為private的時(shí)候，雖然我們不能通過類的對(duì)象去訪問這個(gè)函數(shù)，但我們知道這個(gè)函數(shù)就在虛函數(shù)表中，可以通過特殊的方法（上文中已經(jīng)給出示例）訪問它：

#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();  //編譯錯(cuò)誤
    using Fun = void(*)();
    size_t* virtual_point = (size_t*)&f;
    Fun* fun = (Fun*)*virtual_point;
    (*fun)();
}

面試官：好的，今天的面試到這里就結(jié)束了，請(qǐng)回去等通知吧。

總結(jié)

到此這篇關(guān)于C++面試八股文之override和finial關(guān)鍵字有何作用的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ override和finial關(guān)鍵字的作用內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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