C++中多态的实现机制

转自（/article/9460345.html）

1 什么是多态？

多态性可以简单的概括为“1个接口，多种方法”，在程序运行的过程中才决定调用的机制

程序实现上是这样，通过父类指针调用子类的函数，可以让父类指针有多种形态。

2 实现机制

举一个例子：

#include <iostream.h>

class animal

{

public:

void sleep()

{

cout<<"animal sleep"<<endl;

}

void breathe()

{

cout<<"animal breathe"<<endl;

}

};

class fish:public animal

{

public:

void breathe()

{

cout<<"fish bubble"<<endl;

}

};

void main()

{

fish fh;

animal *pAn=&fh;

pAn->breathe();

}

答案是输出：animal breathe

结果分析：

1从编译的角度

C++编译器在编译的时候，要确定每个对象调用的函数的地址，这称为早期绑定（early binding），当我们将fish类的对象fh的地址赋给pAn时，C++编译器进行了类型转换，此时C++编译器认为变量pAn保存的就是animal对象的地址。当在main()函数中执行pAn->breathe()时，调用的当然就是animal对象的breathe函数。

2 内存模型的角度

我们构造fish类的对象时，首先要调用animal类的构造函数去构造animal类的对象，然后才调用fish类的构造函数完成自身部分的构造，从而拼接出一个完整的fish对象。当我们将fish类的对象转换为animal类型时，该对象就被认为是原对象整个内存模型的上半部分，也就是图1-1中的“animal的对象所占内存”。那么当我们利用类型转换后的对象指针去调用它的方法时，当然也就是调用它所在的内存中的方法。因此，输出animal breathe，也就顺理成章了。



为了得到我们想要的结果，就要使用虚函数

前面输出的结果是因为编译器在编译的时候，就已经确定了对象调用的函数的地址，要解决这个问题就要使用迟绑定（late binding）技术。当编译器使用迟绑定时，就会在运行时再去确定对象的类型以及正确的调用函数。而要让编译器采用迟绑定，就要在基类中声明函数时使用virtual关键字（注意，这是必须的，很多学员就是因为没有使用虚函数而写出很多错误的例子），这样的函数我们称为虚函数。一旦某个函数在基类中声明为virtual，那么在所有的派生类中该函数都是virtual，而不需要再显式地声明为virtual。

下面我们将上面一段代码进行部分修改

virtual void breathe()

{

cout<<"animal breathe"<<endl;

}

运行结果：fish bubble

结果分析

编译器为每个类的对象提供一个虚表指针，这个指针指向对象所属类的虚表。在程序运行时，根据对象的类型去初始化vptr，从而让vptr正确的指向所属类的虚表，从而在调用虚函数时，就能够找到正确的函数。

由于pAn实际指向的对象类型是fish，因此vptr指向的fish类的vtable，当调用pAn->breathe()时，根据虚表中的函数地址找到的就是fish类的breathe()函数。

正是由于每个对象调用的虚函数都是通过虚表指针来索引的，也就决定了虚表指针的正确初始化是非常重要的。换句话说，在虚表指针没有正确初始化之前，我们不能够去调用虚函数。那么虚表指针在什么时候，或者说在什么地方初始化呢？

答案是在构造函数中进行虚表的创建和虚表指针的初始化。还记得构造函数的调用顺序吗，在构造子类对象时，要先调用父类的构造函数，此时编译器只“看到了”父类，并不知道后面是否后还有继承者，它初始化父类对象的虚表指针，该虚表指针指向父类的虚表。当执行子类的构造函数时，子类对象的虚表指针被初始化，指向自身的虚表。

当fish类的fh对象构造完毕后，其内部的虚表指针也就被初始化为指向fish类的虚表。在类型转换后，调用pAn->breathe()，由于pAn实际指向的是fish类的对象，该对象内部的虚表指针指向的是fish类的虚表，因此最终调用的是fish类的breathe()函数。

为了更加清楚的说明内存分布：下面详细的介绍内存的分布

1 基类的内存分布情况

请看下面的sample

class A

{

void g(){.....}

};

则sizeof(A)=1；

如果改为如下：

class A

{

public:

virtual void f()

{

......

}

void g(){.....}

}

则sizeof(A)=4! 这是因为在类A中存在virtual function,为了实现多态，每个含有virtual function的类中都隐式包含着一个静态虚指针vfptr指向该类的静态虚表vtable, vtable中的表项指向类中的每个virtual function的入口地址

例如 我们declare 一个A类型的object :

A c;

A d;

则编译后其内存分布如下：



从 vfptr所指向的vtable可以看出，每个virtual function都占有一个entry,例如本例中的f函数。而g函数因为不是virtual类型，故不在vtable的表项之内。说明：vtab属于类成员静态pointer，而vfptr属于对象pointer

2 继承类的内存分布状况

假设代码如下：

public B:public A

{

public :

int f() //override virtual function

{

return 3;

}

};

则

A c;

A d;

B e;

编译后，其内存分布如下：



从中我们可以看出,B类型的对象e有一个vfptr指向vtable address：0x00400030 ,而A类型的对象c和d共同指向类的vtable address:0x00400050a

3 动态绑定过程的实现

我们说多态是在程序进行动态绑定得以实现的，而不是编译时就确定对象的调用方法的静态绑定。

其过程如下：

程序运行到动态绑定时，通过基类的指针所指向的对象类型，通过vfptr找到其所指向的vtable，然后调用其相应的方法，即可实现多态。

例如：

A c;

B e;

A *pc=&e; //设置breakpoint，运行到此处

pc=&c;

此时内存中各指针状况如下：



可以看出，此时pc指向类B的虚表地址，从而调用对象e的方法。

继续运行，当运行至pc=&c时候，此时pc的vptr值为0x00420050,即指向类A的vtable地址，从而调用c的方法。

这就是动态绑定！(dynamic binding)或者叫做迟后联编（lazy compile)。

总结：

对于虚函数调用来说，每一个对象内部都有一个虚表指针，该虚表指针被初始化为本类的虚表。所以在程序中，不管你的对象类型如何转换，但该对象内部的虚表指针是固定的，所以呢，才能实现动态的对象函数调用，这就是C++多态性实现的原理。

需要注意的几点

总结（基类有虚函数）：

1、每一个类都有虚表。

2、虚表可以继承，如果子类没有重写虚函数，那么子类虚表中仍然会有该函数的地址，只不过这个地址指向的是基类的虚函数实现。如果基类3个虚函数，那么基类的虚表中就有三项（虚函数地址），派生类也会有虚表，至少有三项，如果重写了相应的虚函数，那么虚表中的地址就会改变，指向自身的虚函数实现。如果派生类有自己的虚函数，那么虚表中就会添加该项。

3、派生类的虚表中虚函数地址的排列顺序和基类的虚表中虚函数地址排列顺序相同。

2 一个很好的例子 （this指针是指向子类）

#include <iostream.h>

class base;

base * pbase;

class base

{

public:

base()

{

pbase=this;

}

virtual void fn()

{

cout<<"base"<<endl;

}

};

class derived:public base

{

void fn()

{

cout<<"derived"<<endl;

}

};

derived aa;

void main()

{

pbase->fn();

}

我在base类的构造函数中将this指针保存到pbase全局变量中。在定义全局对象aa，即调用derived aa;时，要调用基类的构造函数，先构造基类的部分，然后是子类的部分，由这两部分拼接出完整的对象aa。这个this指针指向的当然也就是aa对象，那么我们在main()函数中利用pbase调用fn()，因为pbase实际指向的是aa对象，而aa对象内部的虚表指针指向的是自身的虚表，最终调用的当然是derived类中的fn()函数。

在这个例子中，由于我的疏忽，在derived类中声明fn()函数时，忘了加public关键字，导致声明为了private（默认为private），但通过前面我们所讲述的虚函数调用机制，我们也就明白了这个地方并不影响它输出正确的结果。不知道这算不算C++的一个Bug，因为虚函数的调用是在运行时确定调用哪一个函数，所以编译器在编译时，并不知道pbase指向的是aa对象，所以导致这个奇怪现象的发生。如果你直接用aa对象去调用，由于对象类型是确定的（注意aa是对象变量，不是指针变量），编译器往往会采用早期绑定，在编译时确定调用的函数，于是就会发现fn()是私有的，不能直接调用。：）

许多学员在写这个例子时，直接在基类的构造函数中调用虚函数，前面已经说了，在调用基类的构造函数时，编译器只“看到了”父类，并不知道后面是否后还有继承者，它只是初始化父类对象的虚表指针，让该虚表指针指向父类的虚表，所以你看到结果当然不正确。只有在子类的构造函数调用完毕后，整个虚表才构建完毕，此时才能真正应用C++的多态性。换句话说，我们不要在构造函数中去调用虚函数，当然如果你只是想调用本类的函数，也无所谓。

谈到虚函数，不防将虚函数和纯虚函数做个比较

虚函数

引入原因：为了方便使用多态特性，我们常常需要在基类中定义虚函数。

纯虚函数

引入原因：为了实现多态性，纯虚函数有点像java中的接口，自己不去实现过程，让继承他的子类去实现。

在很多情况下，基类本身生成对象是不合情理的。例如，动物作为一个基类可以派生出老虎、孔雀等子类，但动物本身生成对象明显不合常理。 这时我们就将动物类定义成抽象类，也就是包含纯虚函数的类

纯虚函数就是基类只定义了函数体，没有实现过程定义方法如下

virtual void Eat() = 0; 直接=0 不要 在cpp中定义就可以了

虚函数和纯虚函数的区别

1虚函数中的函数是实现的哪怕是空实现，它的作用是这个函数在子类里面可以被重载，运行时动态绑定实现动态

纯虚函数是个接口，是个函数声明，在基类中不实现，要等到子类中去实现

2 虚函数在子类里可以不重载，但是虚函数必须在子类里去实现。