Зачем виртуальному наследованию нужна vtable, даже если виртуальные функции не задействованы?

Полная иерархия наследования классов уже известна во время компиляции.

Достаточно верно; поэтому, если компилятор знает тип наиболее производного объекта, он знает смещение каждого подобъекта в этом объекте. Для этой цели vtable не требуется.

Например, если B и C фактически являются производными от A, а D является производным от обоих B и C, то в следующем коде:

D d;
A* a = &d;

преобразование из D* в A* - это самое большее добавление статического смещения к адресу.

Однако теперь рассмотрим эту ситуацию:

A* f(B* b) { return b; }
A* g(C* c) { return c; }

Здесь f должен иметь возможность принимать указатель на любой B объект, включая объект B, который может быть подобъектом объекта D или некоторого другого объекта наиболее производного класса. При компиляции f компилятор не знает полного набора производных классов B.

Если объект B является наиболее производным объектом, то подобъект A будет расположен с определенным смещением. Но что, если объект B является частью объекта D? Объект D содержит только один объект A, и он не может быть расположен на своем обычном смещении от обоих подобъектов B и C. Таким образом, компилятор должен выбрать местоположение для A подобъекта D, а затем он должен предоставить механизм, чтобы некоторый код с B* или C* мог узнать, где находится подобъект A. Это зависит исключительно от иерархии наследования наиболее производного типа, поэтому vptr / vtable является подходящим механизмом.

Однако это смещение в общем случае может быть известно только во время выполнения ...

Я не могу понять, что здесь связано со средой выполнения. Полная иерархия наследования классов уже известна во время компиляции.

Я думаю, что связанная статья в Википедии дает хорошее объяснение с примерами.

Пример кода из этой статьи:

struct Animal {
  virtual ~Animal() = default;
  virtual void Eat() {}
};

// Two classes virtually inheriting Animal:
struct Mammal : virtual Animal {
  virtual void Breathe() {}
};

struct WingedAnimal : virtual Animal {
  virtual void Flap() {}
};

// A bat is still a winged mammal
struct Bat : Mammal, WingedAnimal {
};

Когда вы обрабатываете объект типа Bat, компилятор может выбирать компоновку объекта различными способами.

Опция 1

+--------------+
| Animal       |
+--------------+
| vpointer     |
| Mammal       |
+--------------+
| vpointer     |
| WingedAnimal |
+--------------+
| vpointer     |
| Bat          |
+--------------+

Вариант 2

+--------------+
| vpointer     |
| Mammal       |
+--------------+
| vpointer     |
| WingedAnimal |
+--------------+
| vpointer     |
| Bat          |
+--------------+
| Animal       |
+--------------+

Значения, содержащиеся в vpointer в Mammal и WingedAnimal, определяют смещения к подобъекту Animal. Эти значения не могут быть известны до времени выполнения, потому что конструктор Mammal не может знать, является ли субъект Bat или каким-либо другим объектом. Если подобъект Monkey, он не будет производным от WingedAnimal. Это будет просто

struct Monkey : Mammal {
};

в этом случае макет объекта может быть:

+--------------+
| vpointer     |
| Mammal       |
+--------------+
| vpointer     |
| Monkey       |
+--------------+
| Animal       |
+--------------+

Как можно видеть, смещение от подобъекта Mammal к подобъекту Animal определяется классами, производными от Mammal. Следовательно, его можно определить только во время выполнения.

Полная иерархия наследования классов уже известна во время компиляции. Но все vptr связанные операции, такие как получение смещений виртуального базового класса и вызов виртуальной функции, откладываются до времени выполнения, потому что только во время выполнения мы можем узнать фактический тип объекта.

Например,

class A() { virtual bool a() { return false; } };
class B() : public virtual A { int a() { return 0; } };
B* ptr = new B();

// assuming function a()'s index is 2 at virtual function table
// the call
ptr->a();

// will be transformed by the compiler to (*ptr->vptr[2])(ptr)
// so a right call to a() will be issued according to the type of the object ptr points to