C++的多态性实现机制剖析

1、多态性和虚函数

我们先看一个例子：

 

#include<iostream.h>
class animal
{
public:
    void sleep()
    {
        cout<<"animal sleep"<<endl;
    }
    void breath()
    {
        cout<<"animal breath"<<endl;
    }
};
class fish:public animal
{
public:
    void breath()
    {
        cout<<"fish bubble"<<endl;
    }
};
void main()
{
    fish fh;
    animal* pAn=&fh;
    pAn->breath();
}

 

 

考虑一下这段程序的输出结果是什么？答案是输出：animal breath

我们在main函数中首先定义一个fish类的对象fh，接着定义了一个指向animal类的指针pAn，将fn的地址赋给了指针变量pAn，然后利用该变量调用pAn->breath()。许多人往往将这种情况和C++的多态性搞混淆，认为fh实际上是fish类的对象，应该调用fish类的breath函数，输出“fish bubble”。然而结果却不是这样，下面我们从2个角度来讲述原因。

1）编译的角度

我们构造fish类的对象时，首先要调用animal类的构造函数去构造animal类的对象，然后才调用fish类的构造函数完成自身部分的构造，从而拼接出一个完整的fish对象。当我们将fish类的对象转换为animal类型时，fish对象就被认为是原对象整个内存模型的上半部分，也就是animal对象所占内存。那么当我们利用类型转换后的对象指针去调用它的方法时，当然也就是调用它所在的内存中的方法。因此，输出animal breath，也就顺理成章了。

正如很多人所想，我们知道pAn实际指向的是fish类的对象。我们希望的输出结果是fish的breath方法，这个时候就该轮到虚函数登场了。前面的输出结果是因为编译器在编译的时候，就已经确定了对象调用 的函数 的地址。要解决这个问题要使用迟绑定（late binding）技术。当编译器使用迟绑定时，就会在运行时再去确定对象的类型以及正确的调用函数。而要让编译器使用迟绑定，就要在基类中声明函数时使用virtual关键字（注意：这是必须的，很多人就是因为没有使用虚函数而写出很多错误的例子），这样的函数我们成为虚函数。一旦某个函数在基类中声明为virtual，那么在所有的派生类中该函数都是virtual，而不需要再显式的声明为virtual。

那么当我们将breath声明为virtual时，在背后发生了什么呢？

编译器在编译的时候，发现animal类中有虚函数，此时编译器会为每个包含虚函数的类创建一个虚表（即vtable），该表是一个一维数组，在这个数组中存放每个虚函数的地址，对于上面的程序，animal和fish类都包含一个虚函数breath()，因此编译器会为这两个类都建立一个虚表。

那么如何定位虚表呢？编译器另外还为每个类的 对象 提供了一个虚表指针（即vptr），这个指针指向了对象所属类的虚表。在程序运行时，根据对象的类型去初始化vptr，从而让vptr正确的指向所属类的虚表，从而在调用虚函数时，就能够找到正确的函数。对于上面的程序，由于pAn实际指向的对象类型是fish，因此vptr指向的是fish类的vtable，当调用pAn->breath()时，根据虚表中的函数地址找到的就是fish类的breath()函数。

正是由于每个对象调用的虚函数都是通过虚表指针来索引的，也就决定了虚表指针的正确初始化是非常重要的。换句话说，在虚表指针没有正确初始化之前，我们不能够去调用虚函数，那么虚表指针在什么时候，或者说在什么地方初始化呢？

答案是在构造函数中进行 虚表的创建 和 虚表指针的初始化 。还记得构造函数的调用顺序吗？在构造子类对象时，要先调用父类的构造函数，此时编译器只“看到了”父类。并不知道后面还有没有继承者，它初始化父类对象的虚表指针，该指针指向父类的虚表。当执行子类的构造函数时，子类对象的虚表指针被初始化，指向自身的虚表。对于上例的程序来说，当fish类的fh对象构造完毕后，其内部的虚表指针也就被初始化为指向fish的虚表。在类型转换后，调用pAn->breath()，由于pAn实际指向的是fish类的对象，该对象内部的虚表指针指向的是fish类虚表，因此最终调用的是fish类的breath()函数。

要注意：对于虚函数来说，每一个对象内部都有一个虚表指针，该虚表指针被初始化为本类的虚表，所有在程序中，不管你的对象类型如何转换，但该对象内部的虚表指针是固定的，所以呢，才能实现动态的对象函数调用，这就是C++多态性实现的原理。

总结：

1、每一个类都有虚表

2、虚表可以继承，如果子类没有重新虚函数，那么子类虚表中仍然会有该函数的地址，只不过这个地址指向的是基类的虚函数实现。如果基类3个虚函数，那么基类的虚表中就有3项（虚函数的地址），派生类也会有虚表，至少有3项，如果重写了相应的虚函数，那么虚表的中的地址就会改变，指向自身的虚函数实现。如果派生类有自己的虚函数，那么虚函数表中就会添加该项。

3、派生类的虚表中虚函数的地址排列顺序和基类的虚表中虚函数地址排列顺序相同。