C++中的多态与虚函数的内部实现

1、什么是多态

        多态性可以简单概括为“一个接口，多种行为”。

        也就是说，向不同的对象发送同一个消息， 不同的对象在接收时会产生不同的行为（即方法）。也就是说，每个对象可以用自己的方式去响应共同的消息。所谓消息，就是调用函数，不同的行为就是指不同的实现，即执行不同的函数。这是一种泛型技术，即用相同的代码实现不同的动作。这体现了面向对象编程的优越性。

        多态分为两种：

        （1）编译时多态：主要通过函数的重载和模板来实现。

        （2）运行时多态：主要通过虚函数来实现。

2、几个相关概念

        （1）覆盖、重写（override）

        override指基类的某个成员函数为虚函数，派生类又定义一成员函数，除函数体的其余部分都与基类的成员函数相同。注意，如果只是函数名相同，形参或返回类型不同的话，就不能称为override，而是hide。

        （2）重载（overload）

        指同一个作用域出生多个函数名相同，但是形参不同的函数。编译器在编译的时候，通过实参的个数和类型，选择最终调用的函数。

        （3）隐藏（hide）

        分为两种：

            1）局部变量或者函数隐藏了全局变量或者函数

            2）派生类拥有和基类同名的成员函数或成员变量。

        产生的结果：使全局或基类的变量、函数不可见。

3、几个简单的例子

 /******************************************************************************************************
 * File:PolymorphismTest
 * Introduction:测试多态的一些特性。
 * Author:CoderCong
 * Date:20141114
 * LastModifiedDate:20160113
 *******************************************************************************************************/
 #include "stdafx.h"
 #include <iostream>
 using namespace std;
 class A
 {
 public:
     void foo()
     {
         printf("1\n");
     }
     virtual void fun()
     {
         printf("2\n");
     }
 };
 class B : public A
 {
 public:
     void foo()  //由于基类的foo函数并不是虚函数，所以是隐藏，而不是重写
     {
         printf("3\n");
     }
     void fun()  //重写
     {
         printf("4\n");
     }
 };
 int main(void)
 {
     A a;
     B b;
     A *p = &a;
     p->foo();  //输出1。
     p->fun();  //输出2。
     p = &b;
     p->foo();  //输出1。因为p是基类指针，p->foo指向一个具有固定偏移量的函数。也就是基类函数
     p->fun();  //输出4。多态。虽然p是基类指针，但实际上指向的是一个子类对象。p->fun指向的是一个虚函数。按照动态类型，调用子类函数
     return ;
 }  

4、运行时多态以及虚函数的内部实现

 

看了上边几个简单的例子，我恍然大悟，原来这就是多态，这么简单，明白啦！

好，那我们再看一个例子：

 

 class A
 {
 public:
     virtual void FunA()
 　　{
 　　　　cout << "FunA1" << endl;
 　　};
 　　virtual void FunAA()
 　　{
 　　　　cout << "FunA2" << endl;
 　　}
 };
 class B
 {
 public:
     virtual void FunB()
 　　{
 　　　　cout << "FunB" << endl;
 　　}
 };
 class C :public A, public B
 {
 public:
 　　virtual void FunA()
 　　{
 　　　　cout << "FunA1C" << endl;
 　　};
 }; 

 int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
 {
 　　C objC;
 　　A *pA = &objC;
 　　B *pB = &objC;
 　　C *pC = &objC;  

38　　 printf("%d  %d\n", &objC, objC);
 　　printf("%d  %d\n", pA, *pA);
 　　printf("%d  %d\n", pB, *pB);
 　　printf("%d  %d\n", pC, *pC);  

 　　return ;
 }  

运行结果：

5241376  1563032

5241376  1563032

5241380  1563256

5241376  1563032

 

细心的同志一定发现了pB出了问题，为什么明明都是指向objC的指针，pB跟别人的值都不一样呢？

是不是编译器出了问题呢？

 

当然不是！我们先讲结论：

（1）每一个含有虚函数的类，都会生成虚表(virtual table)。这个表，记录了对象的动态类型，决定了执行此对象的虚成员函数的时候，真正执行的那一个成员函数。

（2）对于有多个基类的类对象，会有多个虚表，每一个基类对应一个虚表，同时，虚表的顺序和继承时的顺序相同。

（3）在每一个类对象所占用的内存中，虚指针位于最前边，每个虚指针指向对应的虚表。

 

先从简单的单个基类说起：

 class A
 {
 public:
 　　virtual void FunA()
 　　{
 　　　　cout << "FunA1" << endl;
 　　}
 　　virtual void FunA2()
 　　{
 　　　　cout << "FunA2" << endl;
 　　}
 };  

 class C :public A
 {
 　　virtual void FunA()
 　　{
 　　　　cout << "FunA1C" << endl;
 　　}
 };
 int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
 {
 　　A *pA = new A;
 　　C *pC = new C;
 　　typedef void (*Fun)(void);  

 　　Fun fun= (Fun)*((int*)(*(int*)pA));
 　　fun();//pA指向的第一个函数
 　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pA) +);
 　　fun();//pA指向的第二个函数
 　　
 　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC));
 　　fun();//pC指向的第一个函数
 　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC) + );
 　　fun();//pC指向的第二个函数
 　　return ;
 }  

运行结果：

FunA1
FunA2
FunA1C
FunA2

 

是不是有点晕？没关系。我一点一点解释：pA对应一个A的对象，我们可以画出这样的一个表：

　　　　　　 

这就是对象*pA的虚表，两个虚函数以声明顺序排列。pA指向对象*pA，则*(int*)pA指向此虚拟表，则(Fun)*((int*)(*(int*)pA))指向FunA，同理，(Fun)*((int*)(*(int*)pA) + 1)指向FunA2。所以，出现了前两个结果。

根据后两个结果， 我们可以推测*pC的虚表如下图所示：

　　　　　　 

也就是说，由于C中的FunA重写(override)了A中的FunA，虚拟表中虚拟函数的地址也被重写了。

就是这样，这就是多态实现的内部机制。

 

我们再回到最初的问题：为什么*pB出了问题。

根据上边的结论，我们大胆地进行猜测：由于C是由A、B派生而来，所以objC有两个虚拟表，而由于表的顺序，pA、pC都指向了对应于A的虚拟表，而pB则指向了对应于B的虚拟表。做个实验来验证我们的猜想是否正确：

我们不改变A、B、C类，将问题中的main改一下：

 int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
 {
 　　C objC;
 　　A *pA = &objA;
 　　B *pB = &objC;
 　　C *pC = &objC;
 　　
 　　typedef void (*Fun)(void);  

 　　Fun fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC));
 　　fun();//第一个表第一个函数
 　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC)+);
 　　fun();//第一个表第二个函数
 　　fun = (Fun)*((int*)(*((int*)pC+)));
 　　fun();<span style="white-space:pre"> </span>//第二个表第一个函数
 　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pB));
 　　fun();//pB指向的表的第一个函数
 　　return ;
 }  

哈哈，和我们的猜测完全一致：

FunA1C
FunA2
FunB
FunB

我们可以画出这样的虚函数图：

 　　　　　　　　

暂且这样理解，编译器执行B *pB = &objC时不是仅仅是赋值，而是做了相应的优化，将pB指向了第二张虚表。  

 

说了这么多，我是只是简单地解释了虚函数的实现原理，可究竟对象的内部的内存布局是怎样的？类数据成员与多个虚表的具体内存布局又是怎样的？编译器是如何在赋值的时候作了优化的呢？我在以后的博客里会讲一下。

补充一下链接：http://www.cnblogs.com/qiaoconglovelife/p/5299959.html 

理解好多态，对理解面向对象编程的思想有很大的帮助！