多态实现原理

虚函数表

上述类, sizeof(Base) 是多少？

按照类和对象的基础知识, 类成员函数不在类中 不占类空间, 所以只计算 成员变量的大小, 最总结果为 4

但是实际查看会发现:

Base 类的大小为 8(32位环境)

这是为什么？查看Base 类对象内容:

可以看到, 除成员变量 _b 之外, 还存在一个指针 指向了一张表, 并且 这个指针处于类对象的开头位置

这个指针就是 虚表指针, 指向的表就是虚表

虚函数的返回值类型为 void, 参数为空, 所以 函数指针类型为 void(* )()

将 函数指针类型 typedef 一下: typedef void(*VFTPTR )() VFTPTR 即为新名字, 函数指针的特性

虚表指针是一个 指向函数地址的指针, 所以 VFTPTR* 即为函数指针的类型

所以, 取对象的地址, 再将其 强转为 int* , 再解引用, 即为对象的头4个字节的值, 也就是虚表指针的地址 再将其强转为 VFTPTR*, 再赋给 VFTPTR*类型的变量, 此变量就是虚表指针:

VFTPTR* vTable = (VFTPTR*)(*(int*)&dav);

然后将 虚表指针传入此函数中:

void PrintVTable(VFTPTR vTable[])
{	// 虚表指针地址是一个二维数组, 所以形参可以为 VFTPTR 类型的数组
	// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
		VFTPTR f = vTable[i]; 		// 取函数指针
		f(); 						// 函数指针调用函数
	}
	cout << endl;
}

此函数循环体的结束标志是, 遇到 nullptr 是因为在VS 平台下, 虚表的结尾是一个空指针

继续调用函数:

可以看到 函数指针调用函数, 第三个函数指针的执行结果确实与 子类自己的虚函数执行结果相同

由此可以证明 原虚函数表中确实存储了 属于子类自己的虚函数的指针, 但是 VS的监视窗口中没有显示

个人感觉这是一个BUG

多态原理

1. 必须是父类的指针 或 父类的引用 来调用 虚函数
2. 被调用的函数必须是 虚函数, 并且 此 虚函数 必须被 重写

1. 子类对象的地址 可以切割给 父类指针；
2. 子类对象 可以直接切割给 父类引用

如何证明, 多态调用函数是在运行时才确定函数地址的, 而不是在编译时？

dword 为 4 字节

多态调用:

虽然具体意思不明确, 但是大概意思还是可以看出来的 其实就是在使用各种寄存器, 找虚表, 查虚表, 然后找到函数地址了再call

也就是说, 程序再运行时 才去找函数地址了, 能够说明 多态调用函数, 是在程序运行时才通过查表来确定函数地址的

普通调用:

普通调用, 直接就call了函数地址, 也就是说运行时就已经知道了需要调用的函数的地址

所以 普通调用是编译时就确定了函数的地址

问题: 为什么不能是 父类对象？

多继承关系的虚函数表

取第二个虚表的地址 首先就是将对象地址跳过第一个父类的大小, 获得第二个父类的地址

然后解引用, 再转换为4字节的指针, 再转换为函数指针

**于 Base1部分的 Advanced:: func1 的调用: **

Advanced func1

根据反汇编代码分析 ptr1->func1 的调用过程:

1. 首先是找到虚表中func1的函数指针(0x00c31401) 存储到寄存器 eax 中, call eax进行调用
2. 执行 call eax 跳转到 地址为 00C31401 的汇编代码处, 此地址处的汇编指令为 jmp 00C327A0
3. 执行 jmp 00C327A0 之后 开始建立函数栈帧

00C327A0 即为 Advanced::func1 的地址, 因为跳转之后, 进入函数开始建立函数栈帧

所以 虚表中存储的函数指针 0x00c31401 并不直接是 Advanced::func1 的地址 可以看作是一层壳子

**于 Base2部分的 Advanced:: func1 的调用: **

Base2 Advanced func1

观察动图 可以发现

调用 Base2 部分的 Advanced:: func1, 比起调用 Base1 部分的, 显然要更加复杂:

1. 首先同样是找到虚表中func1的函数指针(0x00c31393) 存储到寄存器 eax 中, call eax进行调用

2. 执行 call eax 跳转到 地址为 00C31393 的汇编代码处, 但是此地址处的汇编指令为 jmp 00C32820, 很明显并不是 00C327A0 , 即 Advanced::func1 真正的地址

3. 跳转至 地址为 00C32820 的汇编代码处, 发现 还有两个指令:

   sub ecx,8 和 jmp 00c31401

4. 执行了 jmp 00c31401 之后, 再跳转至了 jmp 00C327A0 指令处

5. 执行 jmp 00C327A0 进入 Advanced::func1 开始建立函数栈帧

可以看到, 虽然 ptr2->func1(); 最后执行的也是 jmp 00C327A0, 但是其中间包含的过程更多

当 Base1 大小改变时, sub 指令的偏移值就会改变:

菱形继承、菱形虚拟继承的虚函数表

建议设计继承体系的时候, 最好不要设计出菱形继承

菱形继承

1. 只属于子类对象的虚函数, 依旧存放在第一个虚表中

2. 对象中虚表存放的函数指针, 是最后被重写的函数指针

   子类对象中 存在两个部分: Intermediate1 和 Intermediate2, 这两个部分中, func1 和 func3 都是被Advanced 最后重写的, 所以 两个部分虚表中存储的都是 Advanced重写的func1和func3

   但是Intermediate1 部分没有重写 func2 , 所以 其虚表部分存储的是 父类的原func2

   Intermediate2 部分重写了 func2, 所以 其虚表部分存储的是 Intermediate2重写的func2

菱形虚拟继承

还可以看到 与普通菱形继承不同的是:

菱形虚拟继承的 Elementary 类部分, func2 存储的是 被Intermediate2 重写之后的

也就是说, 在菱形虚拟继承中 父类虚函数只要被重写了, 虚表内就会存储重写过后的虚函数指针 而不是像普通菱形继承那样: 如果Intermediate1没重写, 虚表内还存储原父类虚函数

但这也导致了一个问题: 如果最终子类没有重写父类的虚函数, 腰部子类就不能同时重写这个父类虚函数

如果 腰部子类同时重写了 最终子类没有重写的父类虚函数, 则会报错:

虚函数重写不明确, 且子类继承不明确

因为腰部子类同时重写了, 就代表在同一平行层级有两个重写函数, 编译器无法判断此时究竟重写的是哪个, 也无法判断 子类继承哪个。

关于多态的一些问题

1. 什么是多态 (已介绍)

2. 什么是重载、重写、重定义？(已介绍)

3. 多态的实现原理是什么？(已介绍)

4. 虚函数可以 inline 吗？

   答, 可以, 毕竟inline 对于编译器只是一个建议

   可以添加 inline, 但是编译器会不会听取建议就不好说了。

   在分析inline 与 虚函数的关系之前, 要知道一件事情: inline函数是没有地址的

   因为inline函数是直接被展开的, 不存在地址

   在示例分析之前, 设置一下VS对inline的优化问题

   由于 类内定义的函数默认inline , 所以需要设置一下, 方便控制

   首先打开项目属性:

   然后进行设置

   Elementary 类中, func1设置 inline, func2 不设置

   说明, 虚函数确实是可以inline的, 编译器也是会听取建议的

   但是, 如果是多态调用呢？

   可以看到, 编译器十分的灵活:

   1. 普通调用 inline 函数, 编译器会听取建议 进行 inline 调用, 因为普通调用可以不需要寻址

   2. 多态调用 inline 函数, 编译器会忽略 inline属性, 因为 多态调用是运行时查表寻址的

      inline函数是无地址的, 所以编译器会忽略inline属性

5. 静态成员函数可以是 虚函数 吗？

   答: 不可以

   因为, 静态成员函数 是可以直接指定类域调用的, 并且没有this指针

   而直接指定类域调用成员变量, 是无法通过查虚表实现的

   所以 静态成员函数地址不能存储到 虚表中, 也就不能 加virtual 也就不能是虚函数

6. 虚函数表是在什么阶段生成的, 存在内存中哪各区域的？

   答: 虚函数表 是在编译阶段生成的, 但是 是在对象实例化时, 在 构造函数的初始化列表阶段 给对象的虚表指针 初始化赋值的

   Constructor_Virtual-List

   那么虚函数表是存放在内存中的哪个区域的呢？

   内存中区域的划分大致有四个: 栈区、堆区、静态区(数据段)、常量区(代码段)

   虚函数表是存放在哪个区域的呢？

   要判断, 就应该了解虚函数表的特性:

   1. 虚函数表是在编译阶段就生成的
   2. 虚函数表不是和对象共存亡的
   3. 虚函数表也不是一个全局的”表”

   其实这三个特点就已经能够判断出, 虚函数表存放的位置了

   常量区(代码段)

   虚函数表是在编译阶段就生成的, 并且虚函数表的生命周期是整个程序, 所以一定不是在栈区和堆区

   而静态区 是用来存储全局的变量等内容的, 虚函数表明显不是一种全局可以访问的”表”

   所以 虚函数表最应该存放的位置 应该是 常量区

   并且可以验证一下:

   勉强可以验证 虚函数表的存放区域

7. 构造函数可以是 虚函数 吗？

   答: 不可以

   因为 对象的虚表指针 是在执行构造函数的初始化列表时 才赋值的

   如果构造函数可以是 虚函数, 也就意味着它可以多态调用

   但是 多态调用是需要通过虚表指针 查虚函数表获得函数指针的, 而对象的虚表指针是在构造函数执行时才赋值的

   所以 如果构造函数是虚函数, 多态调用时需要查表, 查表又需要先执行构造函数

   会发生大错误

8. 析构函数可以是 虚函数 吗？

   答: 可以

   并且, 最好设置为虚函数, 方便多态调用

9. 对象访问 普通成员函数 快还是 虚函数 更快？

   答: 普通调用虚函数是, 一样快

   多态调用虚函数时, 由于多了一个查表的过程, 所以 会慢一些

10. C++菱形继承的问题？虚继承的原理？(已介绍)

11. 什么是抽象类？抽象类的作用？(已介绍)