【C++ 】多态的底层实现原理

简述一下多态的底层实现原理

在面向对象编程中，多态是一个核心概念，它允许使用父类类型的指针或引用来引用子类对象，并通过这种方式实现在运行时选择适当的方法。本文将深入探讨多态的底层实现原理，包括虚函数、虚函数表、派生类和虚函数覆盖、多态的运行时行为以及动态绑定与静态绑定。

多态所需要的条件以及解释：

条件	解释
类之间必须是继承关系	多态性通常是通过基类和派生类之间的继承关系实现的。基类中声明的虚函数可以被派生类重写，从而实现不同类对象对同一接口的不同实现。
被调用的函数必须是虚函数，且派生类需要对基类的虚函数进行重写	虚函数允许在基类中声明函数为虚函数，在派生类中覆盖（重写）该函数。只有将基类中的函数声明为虚函数，才能在派生类中重写它。
通过基类的指针或者引用调用虚函数	在实现多态性时，通常通过基类的指针或引用来操作对象，从而调用虚函数。在运行时，根据对象的实际类型确定调用的是基类的函数还是派生类的重写函数。

1. 虚函数和虚函数表（vtable）

在面向对象的编程中，如果一个类声明了虚函数，编译器会为这个类生成一个虚函数表。虚函数表是一个指针数组，其中每个元素指向一个虚函数的入口地址。当类中的函数被声明为虚函数后，该类的每个对象都会包含一个指向虚函数表的指针（通常称为vptr）。这个指针在对象被创建时自动初始化，指向相应的虚函数表。

2. 派生类和虚函数覆盖

当派生类继承自基类并覆盖其虚函数时，派生类的虚函数表会被修改。继承自基类的虚函数如果在派生类中被覆盖，其在虚函数表中的指针会更新为指向派生类中的新函数。如果派生类增加了新的虚函数，这些函数也会被添加到派生类的虚函数表的末尾。

3. 多态的运行时行为

当通过基类的指针或引用调用虚函数时，程序运行时会通过指针或引用所指向的对象的虚函数表指针（vptr）来访问虚函数表，从而找到正确的函数地址来调用。这个机制使得即使在编译时无法确定调用哪个函数，运行时也能通过虚函数表来动态绑定函数，实现多态。

4. 动态绑定与静态绑定

• 静态绑定（也称为前期绑定或编译时绑定）： 静态多态就是重载，因为在编译期决议确定，所以称为静态多态。在编译时就可以确定函数地址,函数调用在编译时已确定，不依赖于对象的运行时类型。

• 动态绑定（也称为后期绑定或运行时绑定）：依赖虚函数表来在运行时确定调用哪个函数，适用于通过基类的指针或引用调用的虚函数。

这些机制共同工作，使得多态成为可能，允许程序设计师编写更通用和可扩展的代码。

总结

多态是面向对象编程中的一种机制，它允许使用父类的引用或指针来调用子类对象的方法。多态的实现主要依赖于虚函数和虚函数表。当一个类声明虚函数时，编译器会为这个类创建一个虚函数表，这是一个存储虚函数地址的指针数组。每个该类的对象都包含一个指向其虚函数表的指针。如果派生类覆盖了基类的虚函数，其虚函数表中相应的条目会更新为指向派生类中的虚函数。静态多态的基础是重载，是编译时就确定了应该调用哪个函数，函数地址是早绑定。运行时，通过基类指针或引用调用虚函数时，实际调用的函数是通过查找对象的虚函数表确定的，从而实现动态绑定。这种机制允许在不改变现有代码的情况下扩展程序功能，是面向对象设计的灵活性和强大功能的基础。