C++ 多态深度剖析 c++多态如何实现

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：

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举个栗子：Derived1类和Derived2类继承Base类

classBase

{};

classDerived1 : publicBase

{};

classDerived2 : publicBase

{};

intmain()

{

Derived1 pd1 = newDerived1;//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 = newDerived2;//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

return0;

}

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】想要一起学习C++的可以加群248894430，群内有各种资料满足大家

栗子：函数重载

longlongAdd(intleft,intright)

{

returnleft + right;

}

doubleAdd(floatleft,floatright)

{

returnleft + right;

}

intmain()

{

cout<<Add(10,20)<<endl;//语句一

cout<<Add(12.34f,43.12f)<<endl;//语句二

return0;

}

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：

classPerson

{

public:

voidGoToWashRoom()

{

cout<<"Person-->?"<<endl;

}

};

classMan : publicPerson

{

public:

voidGoToWashRoom()

{

cout<<"Man-->Please Left"<<endl;

}

};

classWoman : publicPerson

{

public:

voidGoToWashRoom()

{

cout<<"Woman-->Please Right"<<endl;

}

};

intmain()

{

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

return0;

}

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

classPerson

{

public:

virtual voidGoToWashRoom() = 0;

};

classMan : publicPerson

{

public:

virtual voidGoToWashRoom()

{

cout<<"Man-->Please Left"<<endl;

}

};

classWoman : publicPerson

{

public:

virtual voidGoToWashRoom()

{

cout<<"Woman-->Please Right"<<endl;

}

};

intmain()

{

for(inti = 0;i < 10;i++)

{

Person *p;

if(i&0x01)

p = newMan;

else

p = newWoman;

p->GoToWashRoom();

deletep;

sleep(1);

}

return0;

}

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：

classPerson

{

public:

voidGoToWashRoom()

{};

};

classMan : publicPerson

{

public:

voidGoToWashRoom()

{

cout << "Man-->Please Left" << endl;

}

};

intmain()

{

cout << sizeof(Person) << endl;

cout << sizeof(Person) << endl;

return0;

}

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。

classPerson

{

public:

virtual voidGoToWashRoom()

{};

};

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：

classPerson

{

public:

Person()

{

cout << "Person()" << endl;

}

~Person()

{

cout << "~Person()" << endl;

}

virtual voidGoToWashRoom()

{};

};

classMan : publicPerson

{

public:

Man()

{

cout << "Man()" << endl;

}

~Man()

{

cout << "~Man()" << endl;

}

voidGoToWashRoom()

{

cout << "Man-->Please Left" << endl;

}

};

intmain()

{

Man man;

return0;

}

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：

classPerson

{

public:

virtual voidGoToWashRoom()

{};

public:

inti1;

inti2;

inti3;

};

classMan : publicPerson

{

voidGoToWashRoom()

{

cout << "Man-->Please Left" << endl;

}

};

intmain()

{

Man man;

man.i1 = 0x01;

man.i2 = 0x02;

man.i3 = 0x03;

return0;

}

查看内存中：&man

可以看出，虚表指针位于对象的首部。想要一起学习C++的可以加群248894430，群内有各种资料满足大家

【动态绑定条件】

1. 必须是虚函数

2. 通过基类类型的引用或者指针调用

总结

1. 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)

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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)

8. 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

classBase

{

virtual Base *FunTest()

{

//do something

}

};

classDerived : publicBase

{

Derived *FunTest()

{

//do something

}

};

容易混淆的点：

想要一起学习C++的可以加群248894430，群内有各种资料满足大家