c++ 多态 运行时多态和编译时多态_【C/C++】深度剖析 多态(polymorphism)的底层实现机制...

1 什么是多态？

多态(Polymorphism)源自于希腊语，意思是“多种形状”。在C++中，允许通过基类型的指针或引用去访问派生对象中的函数，并允许需要执行的函数在运行时进行延迟绑定(Late binding)，这称之为多态。多态的前提条件是继承。

另外， 对于重载(overload)的实现也可称之为多态，只不过发生在静态编译阶段，根据函数参数类型的区别就确定了应该调用的函数。

本文主要介绍通过覆盖(override)机制来实现动态绑定的多态。

2 为什么要用多态？

1)多态意味着可以用同一函数名去执行不同的动作，对函数命名复用的同时，简化了代码。

2)约定了实现的接口，便于子类的具体功能实现的同时，接口不变。

3)各个子类相互不影响，提高代码的扩展性。

4)便于后期维护，如果不是多态，就需要手动判断具体需要执行的方法(一堆if…else…)。

3 如何使用多态机制？

在C++中，多态的实现是通过覆盖(override)，而决定是否覆盖函数的关键点在于该基类中的函数是否有关键字virtual的修饰，被修饰的函数被称为虚函数。

所以在基类中 通过virtual修饰的成员函数即可被派生类中定义的同名函数覆盖(override)。

那么问题的关键来了，C++究竟是如何实现override的？override了谁？跟编译器有何关系？

为什么基类的指针可以访问派生对象中的函数？

4 实现多态机制的底层原理

基类中含有virtual 修饰的成员函数，编译器将在内存模型中的添加虚函数表的指针(vptr)，其占用sizeof(void *)大小(跟平台相关)。该vptr指向存储在别处的虚函数表(vtbl)，vtbl中又存放着类中的虚拟成员函数的地址。

现编码进行试验，通过打印地址的方式来分析内存布局，以及覆盖的机制，和多态的原理。

4.1源码：

#include 

详细源码分析见注释(主要是指针的应用)

4.2 g++编译，执行，查看输出：(平台：ubuntu16.04，gcc5.4)

4.3 内存分配模型：（关于内存对齐，可以参考：内存对齐 到底怎么回事？）

4.4 试验结论

1) 同一基类的不同派生类对象，其共同拥有vptr和vtbl。因为 *vp 和 *vp1 的指向一致(0x401568)，且虚函数表中的函数地址也一样。也就是不同的对象之间的虚函数表是相同的。

2) 同一基类的不同派生类对象，其成员变量的地址不一样，可以理解为各自copy了一份。

3) 基类A的指针可以访问派生类B的对象中的成员函数，实现了多态(输出 B class bf : 20)。

实现多态的原理，在于类B对象中的虚函数表中的bf 覆盖了继承的bf。当调用a3->bf()时，vptr实际指向的虚函数表中的第一项是 B类对象中的bf函数。

原本bf地址：0x401234 ; 覆盖后：0x4012ea。改变了函数地址，也就改变了调用时执行的函数。这就是override，覆盖的是虚函数表中的函数地址，也就是多态的底层实现。

4) 基类A指针不能访问基类A中的不存在成员，虽然可以通过函数指针调用派生对象B中的自有的虚函数(这显然是不安全的，但是从理论上来说，通过拿到地址后，指针可以访问一切。。。)，但是函数中的变量是不存在的，显然是随机值，比如结果中的18549888

5) 关于安全性。通过函数指针，可以访问到派生类中的自有虚拟函数，以及private修饰的virtual函数，这是很危险的。虽然直接访问时，静态编译会编译报错，但是动态运行时却可以通过指针进行访问。(指针是双刃剑，即可提高效率，也可让程序崩溃…)