多态的实现原理分析

当类里有一个函数被声明成虚函数后，创建这个类的对象的时候，就会自动加入一个__vfptr的指针，

__vfptr维护虚函数列表。如果有三个虚函数，则__vfptr指向的是第一个虚函数，

__vfptr+1指向的是第二个虚函数，__vfptr+2指向的是第三个虚函数。

当子类覆盖了父类的虚函数后，__vfptr+n就不是指向父类的虚函数了，而是指向的子类的函数。

所以当我们用父类的指针或者引用去调用被覆盖的虚函数时，才能够调用到子类的函数。

1.成员函数加上virtual修饰后，sizeof（类）的数字变大，即使有多个成员函数声明成虚函数，sizeof（类）的数字不会再变大。

加了virtual后，用GDB调试的时候，发现对象b下多了个_vptr

#include <iostream>

using namespace std;

class Base{

public:

  Base() : x(0){

  }

  ~Base(){

  }

  virtual void show(){

    cout << "Base show" << endl;

  }

private:

  int x;

};

int main(){

  cout << sizeof(Base) << endl;//16

  Base b;

}

没加virtual的效果：

#include <iostream>

using namespace std;

class Base{

public:

  Base() : x(0){

  }

  ~Base(){

  }

  void show(){

    cout << "Base show" << endl;

  }

private:

  int x;

};

int main(){

  cout << sizeof(Base) << endl;//4

  Base b;

}

2.声明了虚拟函数后，系统会自动维护一个指针_vptr，指向虚函数列表。

多态是通过虚函数列表实现的。

#include <iostream>

using namespace std;

class Base{

public:

  Base() : x(0){

  }

  ~Base(){

  }

  virtual void show(){

    cout << "Base show" << endl;

  }

  virtual void print(){

    cout << "Base print" << endl;

  }

  void fun(){

    cout << "Base fun" << endl;

  }

private:

  int x;

};

class D : public Base{

public:

  D() : y(0){

  }

  ~D(){

  }

  void show(){

    cout << "D show" << endl;

  }

  void fun(){

    cout << "D fun" << endl;

  }

  virtual void list(){

    cout << "D list" << endl;

  }

private:

  int y;

};

int main(){

  D d;

  d.fun();//调用子类的fun方法，父类的fun方法被隐藏了

  Base *pb = &d;

  pb->show();//调用子类的show方法，多态（覆盖）

  pb->fun();//调用父类的fun方法

  Base &fb = d;

  fb.show();//用子类的show方法，多态（覆盖）

  fb.fun();//调用父类的fun方法

}

3.虚函数表

3.1 单继承，无覆盖
#include <iostream>

using namespace std;

class Base{

public:

  virtual void f(){}

  virtual void g(){}

  virtual void h(){}

};

class D : public Base{

  virtual void f1(){}

  virtual void g1(){}

  virtual void h1(){}

};

int main(){

  D d;

}

用GDB查看函数指针的方法：x/a 内存地址。查看下一个函数指针：x/a 内存地址+8

gdb的分析结果：

18	  D d;

(gdb) n

(gdb) p d

$2 = {<Base> = {_vptr.Base = 0x555555755d48 <vtable for D+16>}, <No data fields>}

(gdb) x/a 0x555555755d48

$3 = (long *) 0x555555554a06 <Base::f()>//虚函数表第1个地址

(gdb) x/a 0x555555755d48+8

$4 = (long *) 0x555555554a12 <Base::g()>//虚函数表第2个地址

(gdb) x/a 0x555555755d48+16

$5 = (long *) 0x555555554a1e <Base::h()>//虚函数表第3个地址

(gdb) x/a 0x555555755d48+24

$6 = (long *) 0x555555554a2a <D::f1()>//虚函数表第4个地址

(gdb) x/a 0x555555755d48+32

$7 = (long *) 0x555555554a36 <D::g1()>//虚函数表第5个地址

(gdb) x/a 0x555555755d48+40

$8 = (long *) 0x555555554a42 <D::h1()>//虚函数表第6个地址

(gdb) x/a 0x555555755d48+48

$9 = (long *) 0x7ffff7dc7438 <vtable for __cxxabiv1::__si_class_type_info+16>
3.2 单继承，覆盖
#include <iostream>

using namespace std;

class Base{

public:

  virtual void f(){}

  virtual void g(){}

  virtual void h(){}

};

class D : public Base{

  virtual void f(){}

  virtual void g1(){}

  virtual void h1(){}

};

int main(){

  D d;

}

gdb的分析结果：

18	  D d;

(gdb) n

(gdb) p d

$1 = {<Base> = {_vptr.Base = 0x555555755d50 <vtable for D+16>}, <No data fields>}

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d50)

$2 = (long *) 0x555555554a0e <D::f()>//虚函数表第1个地址(变成了子类的f())

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d50+1)

$3 = (long *) 0x5555555549f6 <Base::g()>//虚函数表第2个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d50+2)

$4 = (long *) 0x555555554a02 <Base::h()>//虚函数表第3个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d50+3)

$5 = (long *) 0x555555554a1a <D::g1()>//虚函数表第4个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d50+4)

$6 = (long *) 0x555555554a26 <D::h1()>//虚函数表第5个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d50+5)

$7 = (long *) 0x7ffff7dc7438 <vtable for __cxxabiv1::__si_class_type_info+16>
3.3 多继承，不覆盖
#include <iostream>

using namespace std;

class Base{

public:

  virtual void f(){}

  virtual void g(){}

  virtual void h(){}

};

class Base1{

public:

  virtual void f(){}

  virtual void g(){}

  virtual void h(){}

};

class Base2{

public:

  virtual void f(){}

  virtual void g(){}

  virtual void h(){}

};

class D : public Base,public Base1,public Base2{

  virtual void f1(){}

  virtual void g1(){}

  virtual void h1(){}

};

int main(){

  D d;

}

gdb的分析结果：

29	  D d;

(gdb) n

(gdb) p d

$1 = {<Base> = {_vptr.Base = 0x555555755ca8 <vtable for D+16>}, <Base1> = {

    _vptr.Base1 = 0x555555755ce8 <vtable for D+80>}, <Base2> = {

    _vptr.Base2 = 0x555555755d10 <vtable for D+120>}, <No data fields>}

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ca8)

$3 = (long *) 0x555555554b6c <Base::f()>//虚函数表(Base)第1个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ca8+1)

$4 = (long *) 0x555555554b78 <Base::g()>//虚函数表(Base)第2个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ca8+2)

$5 = (long *) 0x555555554b84 <Base::h()>//虚函数表(Base)第3个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ca8+3)

$6 = (long *) 0x555555554bd8 <D::f1()>//虚函数表(Base)第4个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ca8+4)

$7 = (long *) 0x555555554be4 <D::g1()>//虚函数表(Base)第5个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ca8+5)

$8 = (long *) 0x555555554bf0 <D::h1()>//虚函数表(Base)第6个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ca8+6)

$9 = (long *) 0xfffffffffffffff8

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ce8)

$10 = (long *) 0x555555554b90 <Base1::f()>//虚函数表(Base1)第1个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ce8+1)

$11 = (long *) 0x555555554b9c <Base1::g()>//虚函数表(Base1)第2个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ce8+2)

$12 = (long *) 0x555555554ba8 <Base1::h()>//虚函数表(Base1)第3个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ce8+3)

$13 = (long *) 0xfffffffffffffff0

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d10)

$14 = (long *) 0x555555554bb4 <Base2::f()>//虚函数表(Base2)第1个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d10+1)

$15 = (long *) 0x555555554bc0 <Base2::g()>//虚函数表(Base2)第2个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d10+2)

$16 = (long *) 0x555555554bcc <Base2::h()>//虚函数表(Base2)第3个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d10+3)

$17 = (long *) 0x7ffff7dc74f8 <vtable for __cxxabiv1::__vmi_class_type_info+16>
3.4 多继承，覆盖
#include <iostream>

using namespace std;

class Base{

public:

  virtual void f(){}

  virtual void g(){}

  virtual void h(){}

};

class Base1{

public:

  virtual void f(){}

  virtual void g(){}

  virtual void h(){}

};

class Base2{

public:

  virtual void f(){}

  virtual void g(){}

  virtual void h(){}

};

class D : public Base,public Base1,public Base2{

  virtual void f(){}

  virtual void g1(){}

  virtual void h1(){}

};

int main(){

  D d;

}

gdb的分析结果：

29	  D d;

(gdb) n

(gdb) p d

$1 = {<Base> = {_vptr.Base = 0x555555755cb0 <vtable for D+16>}, <Base1> = {

    _vptr.Base1 = 0x555555755ce8 <vtable for D+72>}, <Base2> = {

    _vptr.Base2 = 0x555555755d10 <vtable for D+112>}, <No data fields>}

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755cb0)

$2 = (long *) 0x555555554ba4 <D::f()>//虚函数表(Base)第1个地址(变成了子类的f())

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755cb0+1)

$3 = (long *) 0x555555554b5c <Base::g()>//虚函数表(Base)第2个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755cb0+2)

$4 = (long *) 0x555555554b68 <Base::h()>//虚函数表(Base)第3个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755cb0+3)

$5 = (long *) 0x555555554bbc <D::g1()>//虚函数表(Base)第4个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755cb0+4)

$6 = (long *) 0x555555554bc8 <D::h1()>//虚函数表(Base)第5个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755cb0+5)

$7 = (long *) 0xfffffffffffffff8

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ce8)

$8 = (long *) 0x555555554bb5 <non-virtual thunk to D::f()>//虚函数表(Base1)第1个地址(变成了子类的f())

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ce8+1)

$9 = (long *) 0x555555554b74 <Base1::g()>//虚函数表(Base1)第2个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ce8+2)

$10 = (long *) 0x555555554b80 <Base1::h()>//虚函数表(Base1)第3个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755ce8+3)

$11 = (long *) 0xfffffffffffffff0

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d10)

$12 = (long *) 0x555555554baf <non-virtual thunk to D::f()>//虚函数表(Base2)第1个地址(变成了子类的f())

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d10+1)

$13 = (long *) 0x555555554b8c <Base2::g()>//虚函数表(Base2)第2个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d10+2)

$14 = (long *) 0x555555554b98 <Base2::h()>//虚函数表(Base2)第3个地址

(gdb) p (long*)*((long*)0x555555755d10+3)

$15 = (long *) 0x7ffff7dc74f8 <vtable for __cxxabiv1::__vmi_class_type_info+16>

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