第14篇:C++类继承中的动态绑定

寄语

我们前几篇文章分别解析从函数指针的角度初步阐述了静态绑定和动态绑定的区别。而且又因为C++中在类继承的上下文经常类型转换操作，即upcast和downcast。因此我们必须清楚这两种类型转换在运行时对我们的类实例虚表中的虚成员函数指针，对我们所引用的类实例指针或引用有何影响。这下来本文我们会看到一个面向对象版本的动态绑定的综合示例。

示例

我们从前文示例类UML图中做了一些修改，本篇用的版本如下UML类图。这里就不给出详细的示例代码了。假设我们在Employee类,Manager类,Supervisor类都分别实例化。读者能够独立分析每个类的内存状态和虚表中的状态吗？读者应该自己思考一下如下的问题。

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• Manager类实例和Supervisor类实例各有多少个虚成员函数？
• Manager类实例upcast操作后有多少个虚成员函数？
• Supervisor类实例或Manager类实例的show_status和Employee类的有何关系？

若毫无概念的话，建议参考我前几篇的文章。

• 第9篇:C++ 继承链的构造过程和内存布局
• 第10篇:C++继承中虚表的内存布局
• 第11篇:C++ 静态绑定和动态绑定
• 第12篇:C++多态中的Upcast类型转换
• 第13篇:C++多态中的Downcast操作

其实，下图是上图的一个运行时的每个类中虚表的具体条目以及非虚函数部分的汇总的内存状态。如果你对这个图还有不理解的地方，请查阅我前面几篇的内容，这里不再废话连篇。

ss17.png

在上面的示例中，我故意做了一些设计上的暇疵，你们发现了吗？就是每个类中的非虚函数部分，Employee::show_status()和Supervisor::show_status()这两个成员函数没有任何关系,既不是后者对前者的重载或(重写)。他们只是两个成员函数名称相同但位于不同类作用于中。尽管C++编译器允许父类和子类中定义相同名称的非虚成员函数，但这是一种不良的设计，因为一个适当的函数名标识了它要实现某个具体的功能。当你在多个类中要为不同的类实现某个具体功能的不同版本,应该使用虚函数。

好，我们现在进入正题，假设现在有个Manager类型的指针调用了其虚成员函数add_salary，完整的示例代码如下，C++编译器底层是如何解析的呢？

int main(void){

  std::string e_name="职员";
  std::string m_name="经理";
  std::string s_name="主管";

  Employee *m=new Manager(m_name);
  
  e->add_salary(1500);
  return 0;
}

C++编译器面对这种e->add_salary(1500)类对象指针调用虚成员函数时

• 首先,会通过该类对象内部的虚指针_vptr找到该类对应的虚表。即可以用表达式表示e->_vptr
• 然后遍历该类虚表中的条目,找到该虚成员函数对应的地址,该虚函数的可能位于表中的第n个位置，即此时可以用表达式(e->_vptr)[n]表示第n个位置的虚函数指针。
• 最后使用虚表中找到的函数指针执行函数指针的间接调用:
  (*(e->_vptr)[n])(e)为什么传入类型指针e，一个被解引的函数指针表示需要被一个对象调用，但C++必须要知道哪个类对象对间接调用该函数指针，因此就需要传入e

C++编译器仅当遇到如下条件才会做动态绑定

• 通过类型指针,该指针是upcast操作的指针
  -该类型指针调用的是虚函数

我们从汇编的角度来解析一下动态绑定,下面只给出Manager类构造函数和Manager类解构函数中间的汇编指令。显然我们调用虚函数的动作是发生在构造函数初始化之后,解构函数之前的中间过程。那么正如下图一个关键的指令callq *%rdx，就是调用寄存器中缓存的虚函数指针所指向的虚函数。

总结

其实理解了动态绑定的实质，我们就对C++面像对象中的多态的原理就了解八九成了。这个C++多态系列目前就到此为止，如果我发现有新的东西，日后会在更新C++多态这个文集。