浅析C++多态----多态实现原理
目录
C++为什么要引入多态？
一.背景介绍
二.多态的实现原理
1.什么是多态？
2.多态的分类
3.多态的实现原理
4.如何证明vptr指针？
三.总结
一.背景介绍
虚函数重写：子类重新定义父类中有相同函数名，返回值和参数的虚函数
非虚函数重写：子类重新定义父类中有相同名称和参数的非虚函数
继承中的类型兼容性原则
1.子类对象可以作为父类对象使用
2.子类对象可以直接赋值给父类对象
3.子类对象可以初始化父类对象
4.父类指针可以直接指向子类对象
5.父类引用可以直接引用子类对象
当发生赋值兼容时，子类对象退化为父类对象，只能访问父类中定义的成员。
类型兼容规则是多态性的重要基础之一（子类就是特殊的父类）
#include
#include
using namespace std;
class Parent
{
public:
int mi;
Parent() : mi(0) {}
void add(int i)
{
mi += i;
}
void add(int a, int b)
{
mi += (a + b);
}
};
class Child : public Parent
{
public:
int mi;
Child() : mi(0) {}
void add(int x, int y, int z)
{
mi += (x + y + z);
}
};
int main()
{
Parent p;
Child c;
c.mi = 100;
p = c; // p.mi = 0; 子类对象退化为父类对象
Parent p1(c); // p1.mi = 0; 同上
Parent & rp = c;
Parent * pp = &c;
rp.add(5);
pp->add(10, 20);
cout << "p.mi: " << p.mi << endl; // p.mi: 0;
cout << "p1.mi: " << p1.mi << endl; // p1.mi: 0;
cout << "c.Parent::mi: " << c.Parent::mi << endl; // c.Parent::mi: 35
cout << "rp.mi: " << rp.mi << endl; // rp.mi: 35
cout << "pp->mi: " << pp->mi << endl; // pp->mi: 35
return 0;
} 在面向对象的继承关系中，我们了解到子类可以拥有父类的所有属性和行为；但是，有时父类所提供的方法不能满足子类的要求，因此我们要在子类中重写父类的方法。尽管我们可以通过函数重写（非虚函数）解决这个问题，但是在类型兼容性原则当中也不能出现我们实际所期待的结果（）不能够根据指针/引用所指向的实际对象类型去调用相应的重写函数），下面我们用代码去复现这个问题。
#include
#include
using namespace std;
class Parent
{
public:
void print()
{
cout << "I'm Parent." << endl;
}
};
class Child : public Parent
{
public:
void print()
{
cout << "I'm Child." << endl;
}
};
void how_to_print(Parent * p)
{
p->print();
}
int main()
{
Parent p;
Child c;
how_to_print(&p); // I'm Parent // Expected to print: I'm Parent.
how_to_print(&c); // I'm Parent // Expected to print: I'm Child.
return 0;
}
为什么上述用父类指针指向子类对象时，子类对象调用父类的成员函数呢？ 这是因为在编译器编译期间，编译器只能根据指针的类型去判断所指向的对象；根据赋值兼容，编译器认为父类指针指向的是父类的对象，所以编译结果可能是调用父类中定义的同名函数。
在调用这个函数时，编译器不可能知道指针究竟指向了什么。但是编译器没有理由报错，于是编译器认为最安全的做法就是调用父类中的print()函数。
要解决这个问题，就需要用到C++中的多态。那么如何实现C++的多态呢？
二.多态的实现原理
1.什么是多态？
概念：同一操作作用于不同的对象，可以有不同的解释，产生不同的执行结果，这就是多态性。 简单的说:就是用基类的引用指向子类的对象。
2.多态的分类
在编译器把函数或模板连接生产执行代码的过程中,有两种联编方式,一种是静态联编,另外一种是动态联编。
静态联编是在编译阶段就把函数连接起来,就可以确定调用哪个函数或者模板,而动态联编是指在程序运行时才能确定函数和实现的连接,才能确定调用哪个函数。
由编译器的联编方式，我们可以把多态分为静态多态和动态多态
#include
#include
using namespace std;
class Parent
{
public:
virtual void func()
{
cout << "Parent::void func()" << endl;
}
virtual void func(int i)
{
cout << "Parent::void func(int i) : " << i << endl;
}
virtual void func(int i, int j)
{
cout << "Parent::void func(int i, int j) : " << "(" << i << ", " << j << ")" << endl;
}
};
class Child : public Parent
{
public:
void func(int i, int j)
{
cout << "Child::void func(int i, int j) : " << i + j << endl;
}
void func(int i, int j, int k)
{
cout << "Child::void func(int i, int j, int k) : " << i + j + k << endl;
}
};
void run(Parent * p)
{
p->func(1, 2); // 展现多态的特性
// 动态联编
}
int main()
{
Parent p;
p.func(); // 静态联编
p.func(1); // 静态联编
p.func(1, 2); // 静态联编
cout << endl;
Child c;
c.func(1, 2); // 静态联编
cout << endl;
run(&p);
run(&c);
return 0;
}
3.多态的实现原理
虚函数表与vptr指针
1. 当类中声明虚函数时，编译器会在类中生成一个虚函数表；
2. 虚函数表是一个存储类成员函数指针的数据结构；
3. 虚函数表是由编译器自动生成与维护的；
4. virtual成员函数会被编译器放入虚函数表中；
5. 存在虚函数时，每个对象中都有一个指向虚函数表的指针(vptr指针)。
多态执行过程：
1. 在类中，用 virtual 声明一个函数时，就会在这个类中对应产生一张 虚函数表，将虚函数存放到该表中；
2. 用这个类创建对象时，就会产生一个 vptr指针，这个vptr指针会指向对应的虚函数表；
3. 在多态调用时, vptr指针 就会根据这个对象 在对应类的虚函数表中 查找被调用的函数，从而找到函数的入口地址；
如果这个对象是 子类的对象，那么vptr指针就会在 子类的 虚函数表中查找被调用的函数
如果这个对象是 父类的对象，那么vptr指针就会在 父类的 虚函数表中查找被调用的函数
如何证明vptr指针？
由类的大小==类中定义成员变量的大小。在有虚函数的类中，类的大小 == 成员变量的大小 + vptr指针大小。
#include
#include
using namespace std;
class Demo1
{
private:
int mi; // 4 bytes
int mj; // 4 bytes
public:
virtual void print() {} // 由于虚函数的存在，在实例化类对象时，就会产生1个 vptr指针
};
class Demo2
{
private:
int mi; // 4 bytes
int mj; // 4 bytes
public:
void print() {}
};
int main()
{
cout << "sizeof(Demo1) = " << sizeof(Demo1) << " bytes" << endl; // sizeof(Demo1) = 16 bytes
cout << "sizeof(Demo2) = " << sizeof(Demo2) << " bytes" << endl; // sizeof(Demo2) = 8 bytes
return 0;
}
// 64bit(OS) 指针占 8 bytes
// 32bit(OS) 指针占 4 bytes
三.总结
多态实现面向对象重要的特性之一，掌握多态的具体实现原理，以及为什么引入多态，可以为我们日后使用多态提供基础。
本文参考：c++中的多态机制 - PRO_Z - 博客园