C++多态深度剖析

测试环境：
Target: x86_64-linux-gnu
gcc version 5.3.1 20160413 (Ubuntu 5.3.1-14ubuntu2.1)

什么是多态？

多态一词最初来源于希腊语,意思是具有多种形式或形态的情形,当然这只是字面意思，它在C++语言中多态有着更广泛的含义。

这要先从对象的类型说起！对象的类型有两种：



举个栗子：Derived1类和Derived2类继承Base类

class Base
{};

class Derived1 : public Base
{};

class Derived2 : public Base
{};

int main()
{
Derived1 pd1 = new Derived1; //pd1的静态类型为Derived1，动态类型为Derived1
Base *pb = pd1; //pb的静态类型为Base，动态类型现在为Derived1
Derived2 pd2 = new Derived2; //pd2的静态类型为Derived2，动态类型现在为Derived2
pb = pd2; //pb的静态类型为Base，动态类型现在为Derived2

return 0;
}

对象有静态类型，也有动态类型，这就是一种类型的多态。

多态分类

多态有静态多态，也有动态多态，静态多态，比如函数重载，能够在编译器确定应该调用哪个函数；动态多态，比如继承加虚函数的方式（与对象的动态类型紧密联系，后面详解），通过对象调用的虚函数是哪个是在运行时才能确定的。

【静态多态】

栗子：函数重载

long long Add(int left, int right)
{
return left + right;
}

double Add(float left, float right)
{
return left + right;
}

int main()
{
cout<<Add(10, 20)<<endl; //语句一
cout<<Add(12.34f, 43.12f)<<endl; //语句二

return 0;
}

运行结果：



编译器在编译期间完成的,编译器根据函数实参的类型(可能会进行隐式类型转换),即可推断出要调用哪个函数,如果有对应的函数就调用该函数,否则出现编译错误。

【动态多态】

进入动态多态前，先看一个普通继承的栗子：

class Person
{
public:
void GoToWashRoom()
{
cout<<"Person-->?"<<endl;
}
};

class Man : public Person
{
public:
void GoToWashRoom()
{
cout<<"Man-->Please Left"<<endl;
}
};

class Woman : public Person
{
public:
void GoToWashRoom()
{
cout<<"Woman-->Please Right"<<endl;
}
};

int main()
{
Person per, *pp;
Man man, *pm;
Woman woman, *pw;

pp = &per;
pm = &man;
pw = &woman;

//第一组		//这些都是毫无疑问的
per.GoToWashRoom();	//调用基类Person类的函数
pp->GoToWashRoom();	//调用基类Person类的函数
man.GoToWashRoom();	//调用派生类Man类的函数
pm->GoToWashRoom();	//调用派生类Man类的函数
woman.GoToWashRoom();	//调用派生类Woman类的函数
pw->GoToWashRoom();	//调用派生类Woman类的函数

//第二组
pp = &man;
pp->GoToWashRoom();	//调用基类Person类的函数
pp = &woman;
pp->GoToWashRoom();	//调用基类Person类的函数

return 0;
}

运行结果：



第一组毫无疑问，通过本类对象和本类对象的指针就是调用本类的函数；第二组中先让基类指针指向子类对象，然后调用该函数，调用的是子类的，后让基类指针指向另一个子类对象，调用的是子类的函数。这是因为p的类型是一个基类的指针类型，那么在p看来，它指向的就是一个基类对象，所以调用了基类函数。就像一个int型的指针，不论它指向哪，读出来的都是一个整型（在没有崩溃的前提下），即使将它指向一个float。再来对比着看下一个栗子。

栗子：继承+虚函数

class Person
{
public:
virtual void GoToWashRoom() = 0;
};

class Man : public Person
{
public:
virtual void GoToWashRoom()
{
cout<<"Man-->Please Left"<<endl;
}
};

class Woman : public Person
{
public:
virtual void GoToWashRoom()
{
cout<<"Woman-->Please Right"<<endl;
}
};

int main()
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
Person *p;
if (i&0x01)
p = new Man;
else
p = new Woman;

p->GoToWashRoom();
delete p;
sleep(1);
}

return 0;
}

运行结果：



就像上边这个栗子所演示的那样，通过重写虚函数（不再是普通的成员函数，是虚函数！），实现了动态绑定，即在程序执行期间(非编译期)判断所引用对象的实际类型,根据其实际类型调用相应的方法。使用virtual关键字修饰函数时,指明该函数为虚函数（在栗子中为纯虚函数）,派生类需要重新实现,编译器将实现动态绑定。在上边栗子中，当指针p指向Man类的对象时，调用了Man类自己的函数，p指向Woman类对象时，调用了Woman类字几的函数。

今天的重点来了，就是要分析这个动态绑定实现的原理（以下测试在VS2013环境下进行）：

为了方便调试，我将程序修改如下：

class Person
{
public:
void GoToWashRoom()
{};
};

class Man : public Person
{
public:
void GoToWashRoom()
{
cout << "Man-->Please Left" << endl;
}
};

int main()
{
cout << sizeof(Person) << endl;
cout << sizeof(Person) << endl;
return 0;
}

先求一下两个普通的继承类的大小，在这里为空类，没有包含成员变量，所以为1，表示占位：



假如基类中包含一个int型变量，那么这里的大小都会是4。这不是今天的重点，不再叙说。主要是想看看普通空类的大小。

再改一下程序，在基类的成员函数前加virtual关键字，将这个函数变为虚函数。

class Person
{
public:
virtual void GoToWashRoom()
{};
};

其它部分代码不变，运行结果：



大小变成了4.所以这个类里面肯定是有什么东西的。

在main中加入以下代码：

Man man;

Person *p = &man;

p->GoToWashRoom();

查看监视窗口：



man对象里存在了一个指针，而且是void**类型的，那么这个指针指向哪呢？可以在内存中查看一下这个地址所在内存中的内容。



是一个可能是地址的东西，然后下边是一排的 00 00 00 00，貌似相当于NULL。继续看一下这个类似于地址的东西里面又是什么：



嗯，看不懂，不要紧，把这个数字记下来：0x01 27 13 de

继续运行程序，转到反汇编：



这两句取到man的首地址然后通过eax寄存器赋值给p，这样p就指向了man对象。目前对象模型是这样的：



同时，_vfptr的值为0x01 27 13 de。接下来就要准备调用函数了。



一句句分析：

01276036 mov eax,dword ptr [p] //从p所指位置取4个字节内容放到eax，其实就是取的man对象的地址：0x008BFC1C

01276039 mov edx,dword ptr [eax] //从eax所指位置取4个字节内容放到edx，就是我们之前看到的不明变量_vfptr的值：0x0127dc80

0127603B mov esi,esp //这句先不用管，esp是栈顶指针

0127603D mov ecx,dword ptr [p] //将对象地址给ecx也保存了一份，此时ecx和eax放的都是对象地址（其实这句就是调用函数之前通过ecx传递this指针）

01276040 mov eax,dword ptr [edx] //取对象前四个字节给eax，eax和edx都变成了_vfptr的值。

01276042 call eax //调用函数，函数地址在eax中，说明_vfptr指向的内容是函数的地址

01276044 cmp esi,esp

01276046 call __RTC_CheckEsp (01271334h)

到call这条语句跟进去看一下：



这下明白了吧，其实_vfptr存放的内容就是存放函数地址的地址，即_vfptr指向函数地址所在的内存空间，如图：



分析暂告一段落。我们知道了man对象中维护了一个虚表指针，虚表中存放着虚函数的地址。基于这个虚表指针，实现动态绑定，才可以用基类指针调用了Man类中的虚函数。因为指针p看到的是虚表的指针，它调用的虚函数是从虚表中查找的。如果基类中有多个虚函数的话，那么虚表中也会依次按基类中虚函数定义顺序存放虚函数的地址，并以0x 00 00 00 00 结尾。再如果子类中有自己定义的新的虚函数，那么会排在虚函数表的后边。在调用虚函数时由编译器自动计算偏移取得相应的虚函数地址。

看看是如何构造子类对象的：

class Person
{
public:
Person()
{
cout << "Person()" << endl;
}
~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}

virtual void GoToWashRoom()
{};
};

class Man : public Person
{
public:
Man()
{
cout << "Man()" << endl;
}
~Man()
{
cout << "~Man()" << endl;
}

void GoToWashRoom()
{
cout << "Man-->Please Left" << endl;
}
};

int main()
{
Man man;

return 0;
}

运行结果：



先调用基类构造函数，虚表指针先指向基类虚表，然后调用子类构造函数，这时候子类对象的虚表指针就指向了子类自己的虚表。这才是动态绑定实现原理。详细内容可以查看反汇编，这里不再写了。

再举个栗子看看虚表指针在对象的首部还是尾部，又或者是在中间某个地方存放：

class Person
{
public:
virtual void GoToWashRoom()
{};
public:
int i1;
int i2;
int i3;
};

class Man : public Person
{
void GoToWashRoom()
{
cout << "Man-->Please Left" << endl;
}
};

int main()
{
Man man;
man.i1 = 0x01;
man.i2 = 0x02;
man.i3 = 0x03;

return 0;
}

查看内存中：&man



可以看出，虚表指针位于对象的首部。

【动态绑定条件】

必须是虚函数
通过基类类型的引用或者指针调用

总结

派生类重写基类的虚函数实现多态，要求函数名、参数列表、返回值完全相同。(协变除外)
基类中定义了虚函数，在派生类中该函数始终保持虚函数的特性
只有类的成员函数才能定义为虚函数，静态成员函数不能定义为虚函数
如果在类外定义虚函数，只能在声明函数时加virtual关键字，定义时不用加
构造函数不能定义为虚函数，虽然可以将operator=定义为虚函数，但最好不要这么做，使用时容 易混淆
不要在构造函数和析构函数中调用虚函数，在构造函数和析构函数中，对象是不完整的，可能会 出现未定义的行为
最好将基类的析构函数声明为虚函数。(析构函数比较特殊，因为派生类的析构函数跟基类的析构 函数名称不一样，但是构成覆盖，这里编译器做了特殊处理)

虚表是所有类对象实例共用的

//协变，也可以构成重写（覆盖），但返回值是该类类型的指针或引用
class Base
{
virtual Base * FunTest()
{
//do something
}
};
class Derived : public Base
{
Derived * FunTest()
{
//do something
}
};

容易混淆的点：