C++中的多态问题—理解虚函数表及多态实现原理

时间:2023-03-20 安河桥畔人气:0

注：编译环境为VS 2022，指针大小为4字节

一、多态的概念

概念

多态，指完成某个行为，不同的对象去完成时会产生出不同的状态。如：定一个一Animal类，类中包含动物的叫声这种方法，分别定义Dog和Cat类继承自动物类，那么Dog和Cat类中也会包含叫声这种方法，但是他们具体实现是不同的，因为每种动物的声音都不相同，这便是一种多态。

多态的分类

静态多态，也称为静态绑定或者早绑定，是指函数在编译期间就已经确定了函数的行为。函数重载、函数模板等都属于静态多态。
动态多态，即动态绑定或者晚绑定，指程序在运行时才可以确定函数的行为。本文主要分析的是动态多态。

构成条件

在继承体系下，父类中包含虚函数
子类中对父类的虚函数进行重写
通过父类的指针或者引用调用虚函数

多态的体现：不同的类对象调用同一函数，会产生不同的行为。

二、虚函数的重写

重写的定义

虚函数：virtual关键字修饰的函数

子类中有一个跟父类完全相同的虚函数，即返回值类型、函数名、形参列表都完全相同，则可以说子类重写了父类的虚函数。

Student类中重写了BuyTicket方法：

注意：只要父类中函数用virtual修饰即可，子类可以不加，且虚函数的重写与权限无关。

重写的特殊情况

协变——返回值类型不同

父类的虚函数返回父类对象的指针或者引用，子类虚函数返回子类对象的指针或者引用。

析构函数重写——父类与子类析构函数名字不同

如果父类的析构函数为虚函数，子类的析构函数只要定义了，都能与父类的析构函数构成重写。可以理解为编译器对析构函数的名字做了特殊处理，编译后析构函数的名字统一处理成destructor。

override和final关键字

这两个关键字的主要作用都是帮助用户检测是否构成重写。

final：修饰虚函数，表示虚函数不可被重写；另外final也可以修饰类，表示该类不能被继承

override：修饰虚函数，检查子类虚函数是否重写了父类的虚函数，如果没有构成重写则会报错

区分重写、重载、重定义

抽象类的概念

在虚函数的后面写上=0，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也称接口类），抽象类不能实例化对象。抽象类被集成以后如果没有对虚函数进行重写，则继承的类也是抽象类。

一般情况下，抽象类必须被继承，且必须对虚函数进行重写，否则定义为抽象类则没有实际意义。

Shape类：

class Shape
{
public:
	// 纯虚函数
	virtual double GetArea() = 0;
	virtual double GetCircumference() = 0;
};

三、多态的实现原理

父类对象模型

给出一个Base类，一个Derived类继承Base类

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Fun1c()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}
	virtual void Func3()
	{
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	}
public:
	int  _a;
};

class Derived:public Base
{
public:
	int _b;
};

父类对象模型：

总结：

类中定义了虚函数以后，定义对象时，编译器会为对象创建一张虚表，并将一个指向这张虚表的指针保存在对象的前四个字节，无论定义几个虚函数，对象都只比多四个字节大小。这个指针称为函数虚表指针。
虚表地址是在构造对象时进行填充的，构造函数如果显式实现，编译器会对用户实现的函数进行修改，增加给对象前四个字节存放虚表地址的语句。
虚表本质就是一个函数指针数组，按照声明顺序依次存放虚函数的地址

补充：生成默认构造方法的场景

在学习类与对象时我们知道构造函数是是类的默认成员函数，如果用户没有显式定义，编译器会默认生成，但是实际上并不是在所有情况下编译器都会生成默认的构造函数，编译器只会在需要的时候生成构造函数。

四种生成默认构造方法的场景

B类中包含有A类的对象，B类没有显式定义构造函数，A类定义了无参或者全缺省的构造方法，则编译器会给B类生成默认的构造方法。

分析：因为A类有无参或者全缺省的构造方法，需要在B类中调用A类的构造方法对A类成员进行初始化，所以需要生成B类的构造方法，在其初始化列表中调用A类构造方法。

如果A类没有显式定义构造函数，则不会生成B类构造方法，默认赋随机值；如果A类定义的构造方法不是无参或者全缺省的，则需要在初始化列表中对A类对象初始化：

继承中，B继承A，A中定义了无参或者全缺省的构造方法，B未显式定义，则编译器会给B类生成默认的构造方法。将B中继承自A的部分初始化。

虚拟继承中，B类虚拟继承子A类，B类未显式定义构造方法，编译器会给B类生成默认的构造方法，目的是：给B类对象的前4个字节填充虚基表地址

类中包含虚函数，未显示定义构造方法，则编译器会自动生成构造方法，为对象的前4个字节填充虚表地址

子类对象模型

子类虚表构建规则

1.将父类虚表内容拷贝一份放到子类虚表中，注意父类和子类用的不是同一张虚表，仍以上面的Base和Derived类为例

可以看出，两个虚表指针的地址不同，但虚表中保存的虚函数的地址都相同。

2.如果子类中将父类的虚函数进行了重写，则用子类的虚函数地址替换虚函数表中相同偏移量的虚函数的地址。

3.子类中增加的虚函数按照其在类当中的声明次序放在虚表的最后

子类中增加了两个虚函数：

但是由于VS监视窗口中无法显式新增加的子类，而内存窗口只能显式虚函数的地址，无法确认是哪个函数，所以这里通过打印的方式进行验证。

通过上图中程序的方式打印出了子类对象中虚函数的分布情况，在这里VFP是一个函数指针类型，前面加typedef表示为函数指针类型，如果不加，则是函数指针变量。

所以是用VFP*接收指向第一个虚函数指针的指针，p与*p的类型：

所以最终的结论是：子类新增的虚函数按照其在类中的声明次序放在虚函数表的最后。

子类对象的构造过程

构造子类对象时，在初始化列表中先调用父类的构造函数，此时对象的前4个字节保存的虚表指针指向父类的虚表，之后构造子类自己的虚表，虚表再指针指向子类的虚表。

总结

虚表的本质是函数指针数组，在编译时生成
虚函数的重写也叫覆盖，指的是虚表中虚函数的覆盖，重写是语法层的叫法，覆盖是原理层的叫法
对象中保存的是虚表指针，虚表中保存的是虚函数指针，虚函数和普通函数一样保存在代码段，在VS中虚表也保存在代码区
同一个类的对象共用同一张虚表，父类和子类各自拥有各自的虚表。

多态的调用原理

父类对象，函数调用时的汇编代码：

普通函数调用时直接传递函数的地址，这个地址在编译期间就确定了，虚函数则要经过虚表指针寻址等步骤。从上面的汇编代码也可以看出动态多态的晚绑定的特点，在编译期间普通函数的调用已经确定了要调用的具体函数，虚函数则无法确定，只有等程序运行起来，形参b是具体哪个对象确定了以后，才能确定要调用的函数的地址。

上面是传递父类对象时的调用情况，子类对象调用时的汇编代码与父类对象相同，区别就是子类对象有自己的虚表，最终调用的是子类需表中的函数。

总结多态的原理：

创建对象时，编译器会给包含虚函数的类对象创建一张虚表，并将虚表地址填充在对象的前4个字节，子类对象会拷贝父类对象的虚表，然后再对自己重写的虚函数进行替换，并在虚表中添加子类新增的虚函数；函数调用时，编译器会先从对象的前4个字节获取该对象虚表的地址，然后在虚表中获取虚函数地址进行函数调用；由于每个类对象都有属于该类的一张虚表，且虚函数一般都进行了重写，即函数名与父类相同，但函数执行的内容不同，最终产生的结果就是，不同类的对象调用同一函数产生不同的结果，由此形成了多态。