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  • 深入剖析C++多态的实现与原理-详解

    发表于 2026-04-02 20:02:27     阅读(269)     博客类别:Crawler     转自:https://www.cnblogs.com/DSCL-ing/p/18240152
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    多态基础

    虚函数

    在函数前加上virtual就是虚函数

    class A{
    public:
    	virtual void func(){}; //这是一个虚函数
    };
    

    虚函数的继承

    虚函数的继承体现了接口继承

    继承了接口等于继承了函数的壳,这个壳有返回值类型,函数名,参数列表,还包括了缺省参数

    只需要重写/覆盖接口的实现(函数体)

    虚类/虚基类

    含有虚函数的类是虚类.

    是虚类,且是基类,则是虚基类

    重写/覆盖

    条件:

    三同:函数名,参数(平常说的参数都是说参数的类型,与缺省参数无关),返回值都要相同

    概念:

    重写/覆盖是指该函数是虚函数且函数的名字、类型、返回值完全一样的情况下,子类的函数体会替换掉继承下来的父类虚函数的函数体

    • 体现接口继承

    • 重写/覆盖只有虚函数才有,非虚函数的是隐藏/重定义.注意区别

    • 重写/覆盖只对函数体有效,返回值类型,函数名,参数列表,和缺省参数都不能修改

    • 只要子类写上满足三同的虚函数都会触发重写.无论是否修改函数体

    多态的条件

    多态有两个条件,任何一个不满足都不能执行多态 ,分别是

    1. 虚函数的重写

    多态的基础

       class Person {
       public:
           virtual void BuyTicket() {            //是虚函数
               std::cout<<"全票"<<std::endl;
           }
       };
       
       class Student :public Person {
       public:
           virtual void BuyTicket() {           //虚函数的重写
               std::cout<<"半票"<<std::endl;
           }
       };
    
    1. 父类类型的指针或引用(接收父类对象或子类对象)的对象去调用虚函数
      void func(Person& p){                 //父类的指针或引用去调用
         p.BuyTicket();
      }
      
      int main(){
          Person p;
          Student s;
          func(p);
          func(s);
          return 0;
      }
      
      image-20240602202113081

    其他的多态行为

    多态中子类可以不写virtual

    多态中子类可以不写virtual,而且只要父类是虚函数,之后继承的子孙类都是虚函数(待验证,是否位于虚表)

    class Person {
    public:
        virtual void BuyTicket() {
            std::cout << "全票" << std::endl;
        }
    };
    
    class Student :public Person {
    public:
        void BuyTicket() {
            std::cout << "半票" << std::endl;
        }
    };
    
    class Children : public Person {
    public:
        void BuyTicket(){
            std::cout << "三折票" << std::endl;
        }
    };
    
    void func(Person& p){
        p.BuyTicket();
    }
    
    int main()
    {
        Person p;    
        Student s;    
        Children c;
        func(p);     
        func(s);      
        func(c);
        return 0;
    }
    

    image-20240602205417847

    • 说法1:体现接口继承:继承了接口==继承了函数的壳,只需要重写接口的实现(函数体),这样就是体现了接口继承

    • 说法2: 可能存在父类子类不是同一个人实现的情况.

      ​ 假设子类必须是虚函数才能实现多态,如果父类是虚函数,而另外一个人写子类时忘记加上virtual,这是就有可能发生内存泄露问题,如切片后再析构的情况(只析构父类,不析构子类).

      ​ 因此,父类是虚函数的情况下,子类不强制需要virtual才能发生多态这种行为,能有一定的安全作用.

    缺点:没有统一规范. 最好还是全都加上virtual

    协变

    概念引入:协变与逆变

    协变与逆变规定了编程语言中的类型父子关系的方向

    引入这个概念是为了类型安全


    ​ 协变(父←子)

    动物 - 哺乳类 - 熊科 - 黑熊

    ​ 逆变(子→父)


    协变场景下三同中返回值可以不同,且返回值必须是父类或派生类关系的指针或引用

    其他方面读者可以阅读更具体的资料

    C++协变(covariant)-CSDN博客

    代码举例
    1. 举例1:父类返回类型为父类,子类返回类型为子类

      class Person {
      public:
          virtual Person& BuyTicket() {
              std::cout << "全票" << std::endl;
              Person p;
              return p;
          }
      };
      
      class Student :public Person {
      public:
          Student& BuyTicket() {
              std::cout << "半票" << std::endl;
              Student s;
              return s;
      
          }
      };
      

      image-20240603085723451

    2. 举例2:父类子类返回类型全部是父类

      class Person {
      public:
          virtual Person& BuyTicket() {
              std::cout << "全票" << std::endl;
              Person p;
              return p;
          }
      };
      
      class Student :public Person {
      public:
          Person& BuyTicket() {
              std::cout << "半票" << std::endl;
              Person s;
              return s;
      
          }
      };
      

      image-20240603090057277

    3. 举例3:返回值类型为非所在类类型

      class A{};
      class B : public A{};
      
      class Person {
      public:
          virtual A* BuyTicket() {
              std::cout << "全票" << std::endl;
              return nullptr;
          }
      };
      
      class Student :public Person {
      public:
          B* BuyTicket() {
              std::cout << "半票" << std::endl;
              return nullptr;
          }
      };
      

      image-20240603090926512

    4. 返回值为非虚函数所在类类型,且都是返回父类

      image-20240603091109300

    注意:

    • 反过来,父类中返回值是子类,子类中返回值是父类是不支持的.

    image-20240603085402169

    • 全部返回子类也不支持

      image-20240603085641002

    • 返回值类型为非所在类类型的情况也是如此

    总之,当虚函数返回值为基类类型的指针或引用时,编译器才会检查是否是协变类型.此时如果派生类虚函数返回值是基类或派生类的指针或引用,则判定为协变;否则不是协变

    继承遗留问题解决

    析构函数

    先看继承关系中直接实例对象的代码

    class Person {
    public:
        ~Person() { std::cout << "~Person()" << "\n"; }
    };
    
    class Student :public Person {
    public:
        ~Student() { std::cout << "~Student()" << "\n"; }
    };
    
    int main(){
        Person per; 
        Student stu;
        return 0;
    }
    

    结果没有问题,析构执行是正确的

    image-20240530215817962

    再看指针切片样例

    int main(){
        Person* ptr1 = new Person; 
        Person* ptr2 = new Student;
    
        delete ptr1;
        delete ptr2;
        return 0;
    }
    

    结果:

    image-20240601223719246

    显然,没有正确的析构.

    • 结果说明对切片后的对象进行析构时,只会执行对应切片类型的析构函数.

    在继承篇有提起过的继承体系中析构函数会被重命名成Destructor.

    本意:根据指针(引用)指向的对象类型来选择对应的析构函数
    结果:根据指针(引用)的类型的来选择对应的析构函数

    虽然结果符合正常语法,但是我们在这种情况下并不希望是这样,我们希望它是根据指针(引用)指向的对象类型来选择对应的函数执行.

    而根据指针(引用)指向的对象类型来选择对应的函数,这正好就是多态的理念.

    因此,为了解决切片中这样的析构函数问题,我们选择将其转化成多态来解决.

    此时我们已经满足多态构造的2个条件的其中之一:基类的指针或引用, 剩下的我们需要满足派生类的析构函数构成对基类析构函数的重写。而重写的条件是:返回值类型,函数名,参数列表都相同。对于析构函数,目前还缺的就是函数名相同,因此,析构函数的名称统一处理为destructor.

    具体解决方式:

    析构函数都成为虚函数

    class Person {
    public:
         virtual ~Person() { std::cout << "~Person()" << "\n"; }
    };
    
    class Student :public Person {
    public:
         virtual ~Student() { std::cout << "~Student()" << "\n"; }
    };
    
    int main(){
        Person* ptr1 = new Person; 
        Person* ptr2 = new Student;
    
        delete ptr1;
        delete ptr2;
    
        return 0;
    }
    

    image-20240601223536006

    至此,彻底解决继承体系中析构函数问题.

    题目1

    1.以下程序输出结果是什么()

       class A 
       { 
       public:
           virtual void func(int val = 1){ std::cout<<"A->"<< val <<std::endl;}
                  virtual void test(){ func();} 
       };
       
       class B : public A
       { 
       public:
           void func(int val=0){ std::cout<<"B->"<< val <<std::endl; } 
       };
       
       int main(int argc ,char* argv[])
       {
           B*p = new B;
           p->test(); 
           return 0;
       }
    

    A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

    答案:

    image-20240603123956521

    解析:

    B*p = new B;这里p是普通的指针,不满足多态.

    p->test();这里调用了继承下来的test();

    test()的实际原型是test(A*this),因此函数体内即为(A*)->func();

    因为test()在B中,B会将自己的this传参给test(),即父类类型指针接收子类类型指针.同时func也是虚函数.

    因此满足多态,即test()中调用的是子类的func().

    又因为虚函数的继承是接口继承,只有函数体是子类的,其他都是父类的,缺省参数也是父类的,因此答案是B->1

    题目2

    以下程序输出结果是什么()

    class A
    {
    public:
        virtual void func(int val = 1) { std::cout << "A->" << val << std::endl; }
    };
    
    class B : public A
    {
    public:
        void func(int val = 0) { std::cout << "B->" << val << std::endl; }
        virtual void test() { func(); }
    };
    
    int main(int argc ,char* argv[])
    {
        B*p = new B;
        p->test(); 
        return 0;
    }
    

    A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

    答案:

    D: B->0

    image-20240603171613568




    C++11 override和final

    final

    功能1:禁用继承

    C++11中允许将类标记为final,继承该类会导致编译错误.

    用法:直接在类名后面使用关键字final

    class A final
    {};
    
    class B : public A //编译错误
    {};
    
    使用场景:

    明确该类未来不会被继承时,可以使用final明确告知.

    功能2:禁用重写

    C++中还允许将函数标记为final,禁用子类中重写该方法

    用法:在函数体前使用关键字final

    class A {
    public:
         virtual void func() final {}
    };
    
    class B : public A {
    public:
        void func() {}    //编译错误
    };
    

    image-20240603200701142

    使用场景

    一般情况下,只有最终实现的情况下会使用final: 当你在一个派生类中实现了某个虚函数,并且认为这是该函数的“最终”或“最完善”的实现,不希望后续的派生类再次改变其行为。使用final关键字可以确保这一点,防止函数被进一步重写。

    对虚函数使用final后,编译器可以做出一些优化,比如内联调用,因为它知道不会有其他版本的函数存在。

    override

    场景:

    C++对函数重写的要求是比较严格的.如果某些情况因为疏忽而导致函数没有进行重写,这种情况在编译期间是不会报错的,只有程序运行时没有得到预期结果才可能意识到出现了问题,等到这时再debug已经得不偿失了.

    因此,C++11提供了override关键字,可以帮助用户检测是否完成重写

    描述:

    override(覆盖)关键字用于检查派生类虚函数是否重写了基类的某个虚函数,如果没有则无法通过编译。

    用法:

    在需要进行重写的虚函数的函数体前或参数列表花括号后加上override

    class A {
    public:
         virtual void func()  {}
    };
    
    class B : public A {
    public:
        void func(int i) override{ }
    };
    

    image-20240603214317898

    重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

    image-20240603203200542

    纯虚函数

    概念:

    在虚函数后面写上=0,这个函数就为纯虚函数.

    virtual void fun() = 0;
    

    纯虚函数只能写声明,不能写函数体.

    抽象类/纯虚类

    概念

    含有纯虚函数的类是纯虚类,更多的是叫抽象类(也叫做接口类)

    class A{
    	virtual void func() = 0;
    };
    

    特点

    • 抽象类不能实例化对象

    • 抽象类的派生类如果不重写纯虚函数,则还是抽象类

    • 纯虚函数规范了派生类必须重写,更体现接口继承

    • 纯虚类可以有成员变量

    接口继承和实现继承

    从类中继承的函数包含两部分:一是"接口"(interface),二是 "实现" (implementation).

    • 接口就是函数的"壳",是函数除了函数体外的所有组成.

    • 实现就是函数的函数体.


    纯虚函数 => 继承的是:接口 (interface)

    普通虚函数 => 继承的是:接口 + 缺省实现 (default implementation)

    非虚成员函数 => 继承的是:接口 + 强制实现 (mandatory implementation) 

    • 普通函数的继承是一种实现继承,派生类继承了基类函数,继承的是函数的实现,目的是为了复用函数实现.

    • 普通虚函数的继承是一种接口继承,派生类继承的是基类虚函数的接口+缺省实现,目的是为了重写,达成多态.

    • 纯虚函数只继承了接口,要求用户必须要重写函数的实现.

    如果不实现多态,不要把函数定义成虚函数。






    多态原理

    引入(多态的原理)

    计算下面虚类的大小

    class Base{
    public:
        virtual void func() {}
    private:
        int _a;
        char _b;
    };
    
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        std::cout<<sizeof(Base)<<"\n";
        return 0;
    }
    

    结果:

    image-20240604121929826

    如果是一般的类,那我们会认为是计算结构体对齐之后的大小,结果应当是8.

    但计算结果发现,虚类的结果是12,说明虚类比普通类多了一些东西.

    实例化对象Base b;查看监视窗口

    image-20240604170652509

    可以发现对象的头部多了一个指针_vfptr;这个指针叫做虚函数表指针,它指向了虚函数表

    虚函数表指针

    指向虚表的指针,叫虚函数表指针,位于对象的头部.

    定义:

    ​ 如果在类中定义了虚函数,则对象中会增加一个隐藏的指针,叫虚函数表指针__vfptr,虚函数表指针在成员的前面,直接占了4/8字节.

    虚函数表/虚表

    描述:

    虚函数表指针所指向的表,叫做虚函数表(virtual function table),也叫做虚表

    虚函数表本质是一个虚函数指针数组.元素顺序取决于虚函数的声明顺序.大小由虚函数的数量决定.

    虚表的特性(单继承)

    • 虚表在编译期间生成.

      虚表是由虚函数的地址组成,而编译期间虚函数的地址已经存在,因此能够在编译期间完成.

    • 虚函数继承体系中,虚基类先生成一份虚表,之后派生类自己的虚表都是基于从父类继承下来的虚表.

    • 特例,为了方便使用,VS在虚表数组最后面放了一个nullptr.(其他编译器不一定有)

    • 子类会继承父类的虚函数表(开辟一个新的数组,浅拷贝)
    • 如果派生类重写了基类中某个虚函数,用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数,如果子类没有重写,则虚函数表和父类的虚函数表的元素完全一样
    • 派生类自己新增加的虚函数,从继承的虚表的最后一个元素开始,按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。
    • 派生类自己新增的虚函数放在继承的虚表的后面,如果是基类则是按顺序从头开始放,总而言之,自己新增的虚函数位置一定比继承的虚函数位置后
    • 虚函数和普通函数一样的,都是存在代码段的,只是他的指针又存到了虚表中.另外对象中存的不是虚表,存的是虚表指针
    • 虚表是在编译阶段就完成了,在初始化列表完成的是虚表指针的初始化
    • 同一类型直接定义的对象共享同一个虚表
    • 子类对象直接赋值给父类对象后就变成了父类对象,只拷贝成员,不拷贝虚表,虚表还是父类的

    虚表的一般示例:

    class Person {
    public:
        virtual void BuyTicket(int val = 1) {
            std::cout << "全票" << ":" << val << "\n";
        }
        virtual void func(int val = 1) {
            std::cout << "全票" << ":" << val << "\n";
        }
    };
    
    class Student :public Person {
    public:
        void BuyTicket(int val = 0) {                 //覆盖
            std::cout << "半票" << "=" << val << "\n";
        }
    };
    
    int main() {
        Person p;
        Student s;
        return 0;
    }
    

    image-20240604210835377

    对象中的虚表指针在构造函数中初始化

    image-20240608144225054

    注:虚表指针和成员谁先初始化由编译器决定

    虚表的位置

    虚表没有明确说必须在哪里,不过我们可以尝试对比各个区的地址,看虚表的大致位置

    class Base{
    public:
        virtual void func(){
        }
    private:
        int _a;
    };
    
    class Derive :public Base {
    };
    
    int main()
    {
        Base b;
        Derive d;
        int x = 0;
        int *y = new int;
        static int z = 1;
        const char * str = "hello world";
    
        printf("栈对象地址:        %p\n",&x);
        printf("堆对象地址:        %p\n",y);
        printf("静态区对象地址:    %p\n",&z);
        printf("常量区对象地址:    %p\n",str);
        printf("Base对象虚表指针:  %p\n",*(int**)(&b)); //32位环境
        printf("Derive对象虚表指针:%p\n",*(int**)(&d)); 
        
        return 0;
    }
    

    image-20240608153139376

    根据地址分析,虚表指针与常量区对象地址距离最近,因此可以推测虚表位于常量区.

    另外,在监视窗口中观察虚表指针与虚函数地址也可以发现,虚表指针与虚函数地址也是比较接近,也可以大致推测在代码段中.(代码段常量区很贴近,比较ambiguous,模棱两可的)

    从应用角度来说,虚表也应当位于常量区中,因为虚表在编译期间确定好后,不会再发生改变,在常量区也是比较合适的.

    谈谈对象切片

    我们可以使用子类对象给父类类型赋值,但要注意C++中不支持通过对象切片实现多态.

    首先赋值过程会涉及大量拷贝.成本开销比较大.

    其次,拷贝只拷贝成员,不会拷贝虚表.

    因为子类中继承的自父类的虚表可能被子类覆盖过,如果切片给父类对象,那么父类对象的虚表中就会有子类重写的虚函数,显然不合理.

    谈谈多态的原理

    多态是怎么实现的,其实程序也不知道自己调用的是子类还是父类的,在它眼里都是一样的父类指针或引用.

    如果是虚函数,则在调用时,会进入到"父类"中去,找到虚函数表中的函数去调用,是父类的就调用父类的,是子类就调用子类的.如果不是虚函数,则直接调用.

    多态的实际原理也是传什么调什么,编译期间虚函数表已经确定好了

    再看多态的两个条件

    • 为什么需要虚函数重写,虚表中存的就是子类的虚函数,重写后就和父类不同了,也就能实现多态的效果.

    • 为什么需要父类的指针或引用,就是因为指针或引用既能指向父类也能指向子类,能够实现切片,区分父类和子类

    虚函数覆盖这个词的由来就是,子类重写的虚函数会覆盖父类的.

    覆盖是原理层的叫法.重写是语法的叫法

    虚表打印

    例程1.VS查看虚表

    class Person {
    public:
        virtual void BuyTicket(int val = 1) {
            std::cout << "全票" << ":" << val << "\n";
        }
        virtual void func(int val = 1) {
            std::cout << "全票" << ":" << val << "\n";
        }
    };
    
    class Student :public Person {
    public:
        void BuyTicket(int val = 0) {
            std::cout << "半票" << "=" << val << "\n";
        }
        virtual void Add()
        {
            std::cout<<"Studetn"<<"\n";
        }
    };
    
    class C : public Student {
    public:
        virtual void Add()
        {
            std::cout<<"C"<<"\n";
        }
        int _c = 3;
    };
    
    void fun(Student &s){
        s.Add();
    }
    
    int main() {
        Person p;
        Student s;
        C c;
        fun(c);
        return 0;
    }
    

    对上例函数查看VS监视时,发现虚表不显示完全

    image-20240604224428751

    需要在监视窗口中手动输入(void**)0x虚函数表指针,10,表示以(void*)[10]方式展开

    image-20240604224622771

    此后就能全部显示虚表了

    例程2.程序打印虚表

    源码:

    (仅适用VS,因为VS会将虚表末尾置空,如果是g++,则需要明确虚表有几个虚函数)

    class A {
    public:
        virtual void fun1(){
            std::cout<<"func1()"<<"\n";
        }
        virtual void fun2(){
            std::cout<<"func2()"<<"\n";
        }
    };
    
    class B :public A {
    public:
        virtual void fun3(){
            std::cout<<"func3()"<<"\n";
        }
    };
    
    using VFPTR = void(*)(void);
    void PrintVFTable(VFPTR table[])
    {
        for (int i = 0; table[i]; i++)
        {
            //1.打印虚类对象的虚表
            printf("%p",table[i]);
            //2.指针不够直观的情况下.可以执行函数指针得到更具象的结果
            VFPTR f = table[i];
            f(); 
            //小细节:f()能够正常执行,说明这样的调用方式能够自动将虚表所在对象的this传参到虚函数中.
            
        }
    }
    
    int main()
    {
        A a;
        B b;
        PrintVFTable((VFPTR*)(*((VFPTR*)&a))); //方式1 (修改,VFPTR*比int*更通用)
        puts("");
        PrintVFTable(*(VFPTR**)&b); //方式2 ,在明确指向逻辑的情况下,二级指针更为简洁
        
        /* 代码理解:
        1.typedef和using语法层面功能都是将类型重命名,这个重命名会被认定成一个新类型,需要时再进行解释.
        2.int*在32位和64位下解引用都是4字节.而指针大小在32位下是4字节,64位下是8字节.在64位机器下使用int*解引用的话,就会得到错误的结果.因此int*不够普遍.
        3.VFPTR被当作一个新类型来看待.直接使用VFPTR时,编译器认为是非指针变量;使用VFPTR*时,编译器认为是一级指针变量.(VFPTR*)&a即为将a的地址转成类型为VFPTR的一级指针.之后,解引用则以VFPTR的大小为步长,取出相应的数据(虚表指针,也是虚表首地址).VFPTR实际类型为函数指针,32位下为4字节,64位下为8字节,因此解引用后能够取得正确的结果. 
        */
        
        return 0;
    }
    

    image-20240605141210126

    模型图

    image-20240609181110964

    多继承虚表

    先看虚函数多继承体系下内存布局

    class Base1 {
    public:
        virtual void func1() { std::cout << "Base1::func1" <<std::endl; }
        virtual void func2() { std::cout << "Base1::func2" <<  std::endl; }
    private:
        int b1 = 1;
    };
    
    class Base2 {
    public:
        virtual void func1() { std::cout << "Base2::func1" << std::endl; }
        virtual void func2() { std::cout << "Base2::func2" << std::endl; }
    private:
        int b2 = 1;
    };
    
    class Derive : public Base1, public Base2 {
    public:
    //子类重写func1
        virtual void func1() { std::cout << "Derive::func1" << std::endl; }
    //子类新增func3
        virtual void func3() { std::cout << "Derive::func3" << std::endl; }
    private:
        int d1 =2;
    };
    
    int main()
    {
        Derive d;
        return 0;
    }
    

    image-20240608170245199

    简单分析可知,虚函数多继承体系下派生类会根据声明顺序依次继承父类.继承方式类似于虚继承.

    多继承下子类自己新增的虚函数在哪?

    我们知道,单继承中,子类自己新增的虚函数会尾插到虚表的末尾.

    那么多继承呢?是每个父类都添加?还是只添加到其中一个?添加到一个的话添加到哪里?

    要知道结果,必须要看一眼虚表的真实情况.因此我们打印所有虚表看看情况.

    多继承虚表打印代码

    int main()
    {
        Derive d;
        /*打印d中Base1的虚表*/
        std::cout<<"Base1的虚表"<<"\n";
        PrintVFTable(*(VFPTR**)(&d));
       
        puts("");
        /*打印d中Base2的虚表*/
        std::cout<<"Base2的虚表"<<"\n";
         //方法1,手动计算指针偏移
        //PrintVFTable((VFPTR*)*(VFPTR*)((char*)&d+sizeof(Base1)));
        //PrintVFTable(*(VFPTR**)((char*)&d+sizeof(Base1)));
        
        //方法2,切片,自动计算指针偏移 -- 推荐,不容易出错
        Base2 *b2 = &d;
        PrintVFTable(*(VFPTR**)b2);
        return 0;
    }
    

    image-20240608185435572

    结论与发现:
    • 通过结果能证明,子类自己新增的虚函数只会添加进第一个继承的父类的虚表中,也就是尾插.
    • 子类会继承所有父类的虚表,有多少个父类就有多少个虚表

    image-20240609180923732

    • 结果也证明,子类重写会对所有父类的同名函数进行覆盖

    • 观察结果还发现,两个func1的地址居然不一样.这其实涉及到C++this指针的原理问题->this指针修正.

    要搞明白是什么情况,我们需要观察汇编代码,去看更深层次的逻辑.

    this指针修正分析

    例程代码

    int main(){
        Derive d;
        Base1 *ptr1 = &d;
        Base2 *ptr2 = &d;
        ptr1->func1();
        ptr2->func1();
        return 0;
    }
    

    先观察ptr1

    image-20240608214928031

    再看ptr2

    image-20240608222602445

    对比可以发现,ptr2要比ptr1走多了好几步才能正确调用fun1.

    解释:

    看ptr2的的中间过程有句汇编sub ecx,8,功能是ecx-8再放到ecx中.而ecx在类中通常表示类的this指针,即sub ecx,8得功能是将this指针-8,这里8刚好是sizeof(Base1)的值,因此sub ecx,8就可以解释成this向下偏移8个字节,因为对象的this指针位于低字节,这就同时刚好满足了this指向Base2.再结合问题场景,就可以同步证明ptr2多走的这几步目的就是为了让指针正确偏移回对象d的this.

    再结合切片原理,切片后会自动计算将ptr2指向了d中Base2的首地址,可以推测切片后ecx也指向了Base2的首地址.为了能够发生多态,需要将ecx重新偏移至正确位置.

    这就是多继承下多态的原理

    虚表中地址(概念修正)
    1. 虚函数地址:这是虚函数在程序内存中的实际地址,即函数体开始的位置。
    2. 虚表中的地址:虚表中存储的地址通常直接指向虚函数的实际地址。然而,在某些情况下,如为了实现一些优化,编译器可能不会直接在虚表中存储虚函数的地址,而是存储一个“跳跃”函数的地址,这个跳跃函数再跳转到虚函数的真实地址。这种跳跃函数可以用来做额外的检查或者优化,例如性能计数、调试信息插入等。

    所以,虚表中存放的地址大多数情况下就是虚函数的真实地址,但在某些特定的优化场景下,它可能指向一个中间函数,这个中间函数再负责跳转到真实的函数地址。这种间接调用的机制有时被称为“thunk”,它允许编译器在运行时进行更复杂的控制流分析和优化。

    对于现代的C++编译器,如GCC或Clang,它们默认的行为是在虚表中直接存储虚函数的真实地址,除非有特殊的优化需求。如果想了解具体的实现,可以通过反汇编工具(如objdump, IDA Pro等)查看编译后的二进制文件,检查虚表的结构和内容。

    菱形继承+多态 与 菱形虚拟继承+多态

    菱形继承本来就是很复杂的东西,再加上多态,更加复杂,实际工作中也很少会使用菱形继承多态.
    简单演示一下,有兴趣的读者可以自行扩展研究.

    菱形继承+多态

    class A {
    public:
    	virtual void func1() {}
    public:
    	int _a;
    };
    
    class B : public A {
    public:
    	virtual void func1() {}
    public:
    	int _b;
    };
    
    class C : public A {
    public:
    	virtual void func1() {}
    public:
    	int _c;
    };
    
    class D : public B, public C {
    public:
    	virtual void func1() {}
    public:
    	int _d;
    };
    
    int main() {
    	D d;
    	d.B::_a = 1;
    	d.C::_a = 2;
    	d._b = 3;
    	d._c = 4;
    	d._d = 5;
    
    	return 0;
    }
    

    内存布局:

    image-20240609191001622

    菱形虚拟继承+多态(子类没有新增虚函数)

    class A {
    public:
    	virtual void func1() {}
    public:
    	int _a;
    };
    
    class B : virtual public A {
    public:
    	virtual void func1() {}
    	//virtual void func2() {}
    public:
    	int _b;
    };
    
    class C : virtual public A {
    public:
    	virtual void func1() {}
    	//virtual void func3() {}
    public:
    	int _c;
    };
    
    class D : public B, public C {
    public:
    	virtual void func1() {}
    public:
    	int _d;
    };
    
    

    (其中要求最远类必须重写虚基类A的虚函数,因为要消除二义性,是B是C都不好,最好是D.)

    内存布局:

    image-20240609192312109

    和非多态菱形虚拟继承很类似.只重写虚基类虚函数时,只有虚基类有虚表

    菱形虚拟继承+多态(子类自己新增了虚函数)

    class A {
    public:
    	virtual void func1() {}
    public:
    	int _a;
    };
    
    class B : virtual public A {
    public:
    	virtual void func1() {}
    	virtual void func2() {}
    public:
    	int _b;
    };
    
    class C : virtual public A {
    public:
    	virtual void func1() {}
    	virtual void func3() {}
    public:
    	int _c;
    };
    
    class D : public B, public C {
    public:
    	virtual void func1() {}
    public:
    	int _d;
    };
    

    内存布局:

    image-20240609193315514

    64位环境下内存布局

    image-20240609194613065

    推测虚基表中低四字节是存放虚表偏移量,也可能是到B或C类型首部的偏移量.

    一些概念

    动态绑定和静态绑定

    • 静态绑定又称为前期绑定(早绑定),在程序编译期间就确定了程序的行为,即编译时,也称为静态多态.

      静态多态例子:函数重载,如std::cout<<的类型自动识别,原理就是函数名修饰规则将operator<<(不同的参数)在编译时生成多份(都是生成多份,C语言需要程序员手动,C++由编译器自动生成),使传的参数不同时能够对外表现出不同的行为.这种技术给开发者和用户都带来了使用上的便利.

    • 动态绑定也称为后期绑定(晚绑定),是在程序运行期间,即运行时,根据具体拿到的类型确定程序的具体行为,调用具体的函数,也称为动态多态.虚函数多态就是动态多态.

    内联函数inline 和 虚函数virtual

    inline如果被编译器识别成内联函数,则该函数是没有地址的. 与虚表中存放虚函数的地址有冲突.

    但事实上,inline 和 virtual 可以一起使用 :

    • 这取决于使用该函数的场景:内联是一个建议性关键字,如果发生多态,则编译器会忽略内联.如果没有发生多态,才有可能成为内联函数

    • 即:多态和内联可以一起使用,但同时只能有一个发生

    静态函数static 与 虚函数

    静态成员函数不能是虚函数,因为静态成员函数没有this指针,与多态发生条件矛盾

    1. 父类引用/指针去调用

    2. static函数没有隐藏this参数.不满足虚函数重写条件"三同"

    3. 静态成员函数目的是给所有对象共享,不是为了实现多态

    构造函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载 与 虚函数

    • 构造,拷贝构造不能是虚函数

      1. 构造函数需要帮助父类完成初始化,必须一起完成,不能像多态那样非父即子(父对象调父的,子对象调子的);
      2. 虚表指针初始化是在构造函数的初始化列表中完成的,要先执行完构造函数,才能有虚函数
      3. 构造函数多态没有意义
    • 赋值运算符重载也和拷贝构造一样,不建议写成虚函数,虽然编译器不报错.

    虚函数和普通函数谁快?

    一般来说,普通函数会比构成多态调用的虚函数快.但要注意,是虚函数在构成多态调用的情况下.

    看例子1:

    class AA {
    public:
    	virtual void func1() {}
    };
    
    class BB : public AA {
    	void func2(){};
    };
    
    int main() {
    	AA a;
    	BB b;
    	a.func1();
    	b.func1();
    	return 0;
    }
    

    image-20240609213911409

    在VS2019-32位环境下,两种函数在对象的调用下汇编代码是一样的.因此这种情况下它们一样快.

    看例子2:

    成员函数为非虚函数时,指针调用是普通调用

    class AA {
    public:
        void func1() {}
    };
    
    class BB : public AA {
    };
    
    int main()
    {
    	BB b;
    	BB*ba = &b;
    	pb->func1();
    	return 0;
    }
    

    image-20240609214741399

    看例子3:

    class AA {
    public:
        virtual void func1() {}
    };
    
    class BB : public AA {
    };
    
    int main()
    {
    	AA*pa = &a;
    	pa->func1();
    	BB*pb = &b;
    	pa->func1();
    
    	return 0;
    }
    

    image-20240609214244189

    在虚函数情况下(包括继承和非继承),使用指针调用都会触发多态的调用方式,显然这时调用虚函数效率会比普通函数慢.

    小结:

    通过上面几个例子分析,发现有虚函数,且是指针的情况下,无论有没有发生多态,调用方式都会发生改变.上面举的名词"多态的调用方式"是为了描述这种调用方式.

    这种调用方式简化了编译器的调用逻辑:只要是虚函数,且是指针/引用,都会去虚表中找.如果满足多态的条件就能发生多态的现象,否则就是正常调用.

    因此,需要注意区分多态的调用方式多态的现象.常说的多态的两个条件是指满足这两个条件才能触发多态的现象.与是否是多态的调用方式无关.