c++多态实现的机制

2018-02-27 10:51:10来源:https://www.jianshu.com/p/f5f6c0b95c25作者:爱秋刀鱼的猫人点击

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什么是c++的多态?

多态的意思是,当有基类和派生类的时候,在基类的函数前加上virtual关键字,在派生类中重写该函数,运行时将会根据对象的动态类型来调用相应的函数。如果对象的动态类型是派生类,就调用派生类的函数;如果对象类型是基类,就调用基类的函数。


c++多态的实现:

实现依靠的是虚函数和动态绑定机制;什么是虚函数可以参考我之前写的这篇文章。


虚函数背后的原理

那么当我们将基类的一个函数声明为virtual时,在背后发生了什么呢?


#include <iostream.h>
class animal
{
public:
void sleep()
{
cout<<"animal sleep"<<endl;
}
virtual void breathe()
{
cout<<"animal breathe"<<endl;
}
};
class fish:public animal
{
public:
void breathe()
{
cout<<"fish bubble"<<endl;
}
};
void main()
{
fish fh;
animal *pAn=&fh; // 隐式类型转换
pAn->breathe();
}

当我们将breathe()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类都包含了一个虚函数breathe(),因此编译器会为这两个类都建立一个虚表,(即使子类里面没有virtual函数,但是其父类里面有,所以子类中也有了)如下图所示:




屏幕快照 2018-02-25 下午8.52.20.png
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。对于上面程序,由于pAn实际指向的对象类型是fish,因此vptr指向的fish类的vtable,当调用pAn->breathe()时,根据虚表中的函数地址找到的就是fish类的breathe()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,并不知道后面是否后还有继承者,它初始化父类对象的虚表指针,该虚表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。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类的虚表。在类型转换后,调用pAn->breathe(),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类的虚表,因此最终调用的是fish类的breathe()函数。
要注意:对于虚函数调用来说,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。所以在程序中,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。








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