关于C++ 多态实现技术的深度解析（vfptr,vftable）

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环境说明

无

前言

关于C++的多态，我就不多说了，我理解的一句话就是：一个接口，多种实现（简称：一对多）。在C++里面，多态的最重要的实现方法为继承，简单来说：就是基类提供接口，子类可以实现基类的接口，不同的子类就构成了基类接口的不同的实现。以上就是C++课本上或者C++原理上的常见的知识。

而今天这里所说明的是多态是怎么实现的，以及实现的详细方法。我个人认为：只有了解了这些东西后，我们才不会在多态中迷失自己的方向，导致代码稀烂。

c++ 多态

多态的实现

多态的实现是通过一个指针数组实现的。此指针数组的一般声明如下：

//虚函数表

void ** vfptr;//此ptr指向一个void * 的数组

说明: vfptr 变量的声明是C++编译器根据：当一个带有虚函数的类定义了一个实例时，编译器会自动在此类的前4bytes（32bit 系统）添加vfptr变量来实现多态。同时编译器会生成一个void *数组来存放实际接口方法地址（其实这里就已经实现了多态，也就是说：这里就已经定义好了这个实例可以调用哪些实际接口方法，例如是来至于基类还是子类等等），也就是虚函数表（vftable），此表是放在生成的可执行文件的数据段。

总结：这里有一些基本的习惯。

vfptr放在一个类的起始相关地址。
vftable中的方法按照继承顺序、接口声明顺序赋值。

以上都是自己瞎扯的原理，看不懂也没有啥问题，毕竟我的语文水平不高，语言组织能力不行，直接跳过查看下面的实例分析。

多态的实现原理解析实例

class Base

{

public:

	Base() {}

	~Base() {}

	virtual void base1(void) = 0;

	virtual void base2(void) {};

	virtual void base3(void) {};

	int base_a = 0;

private:

};

class Base1

{

public:

	Base1() {}

	~Base1() {}

	virtual void base2(void) {};

	virtual void base3(void) {};

	int base_a = 0;

private:

};

class Derive:public Base

{

public:

	Derive() {}

	~Derive() {}

	virtual void base1(void) {}

	virtual void base2(void) {}

	int derive_a = 1;

private:

};

class Derive1 :public Base

{

public:

	Derive1() {}

	~Derive1() {}

	virtual void base1(void) {}

	virtual void base2(void) {}

	virtual void derive1(void) {}

	virtual void derive2(void) {}

	int derive_a = 2;

private:

};

class Derive2:public Derive1

{

public:

	Derive2() {}

	~Derive2() {}

	virtual void derive1(void) {}

private:

};

int main()

{

	Base1 b1;

	Derive d1;

	Derive1 dd1;

	Derive2 ddd1;

    return 0;

}

20200306 动态绑定的补充

关于派生对象地址赋值给基类指针并使用基类指针调用派生类函数。源码如下：

(20200326补充END)

以下是vs2015的调试分析截图：（若只想了解一下vfptr和vftable是个什么样子，只看此图并结合代码分析足以）

友情提示：此图中关于ddd1的vfptr和我们想要的结果是不同的，原因和调试器相关，具体关于ddd1哪里有问题，若有需求，请看以下分析。

多态的实现原理解析实例（进阶版）

同上一份代码，我们深入到汇编里面，就可以发现一些我们不知道的细节，关于这些汇编中的其他内容部分，若想了解，参考此文章：https://blog.csdn.net/u011728480/article/details/79092194。

这里我们只分析变量ddd1的生成过程。

用ida载入我们生成的exe文件。找到main函数中ddd1初始化入口如下：

20200306 动态绑定的补充

关于派生对象地址赋值给基类指针并使用基类指针调用派生类函数。反汇编如下：

ddd1对象的vfptr如下：

可以发现动态绑定的时候，基类指针的vfptr已经指向了ddd1对象的vfptr。

(20200326补充END)

这里我们跳转到call后面的地址查看Derive2的构造函数，先调用Derive1的构造函数，再给vfptr赋值。下图是构造函数汇编

下图是vfptr的赋值内容，也就是vftable是什么样子的

这里可以看到，其实此实例调用的是哪些方法（也就实现了多态），早已经在编译时就确定了，只是这里才赋值而已，所以可以说是动态绑定或者静态绑定。

下图为Derive1构造函数以及vftable值：

下图为Base构造函数以及vftable的值：

以上总结：我们可以发现vfptr经过了多次赋值的，不同的时间段，vfptr值不一样，所以在构造实例的时候，不同时段调用同一个接口，会有不同的方法。

同时也可以得出一个结论，每个接口的实现类都有一个虚函数表，包括接口类本身，这些虚函数表在编译时就确定了，只是vfptr赋值的时候，是在程序运行时确定的。

根据以上的分析，可以解决许多我们关于多态的疑问。

后记

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参考文献

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