C++虛函數(shù)和多態(tài)學(xué)習(xí)筆記

1、什么是虛函數(shù)和多態(tài)

虛函數(shù)是在類中被聲明為virtual的成員函數(shù)，當(dāng)編譯器看到通過指針或引用調(diào)用此類函數(shù)時(shí)，對(duì)其執(zhí)行晚綁定，即通過指針（或引用）指向的類的類型信息來決定該函數(shù)是哪個(gè)類的。通常此類指針或引用都聲明為基類的，它可以指向基類或派生類的對(duì)象。
多態(tài)指同一個(gè)方法根據(jù)其所屬的不同對(duì)象可以有不同的行為（根據(jù)自己理解，不知這么說是否嚴(yán)謹(jǐn)）。

舉個(gè)例子說明虛函數(shù)、多態(tài)、早綁定和晚綁定：
李氏兩兄妹（哥哥和妹妹）參加姓氏運(yùn)動(dòng)會(huì)（不同姓氏組隊(duì)參加），哥哥男子項(xiàng)目比賽，妹妹參加女子項(xiàng)目比賽，開幕式有一個(gè)參賽隊(duì)伍代表發(fā)言儀式，兄妹倆都想去露露臉，可只能一人去，最終他們決定到時(shí)抓鬮決定，而組委會(huì)也不反對(duì)，它才不關(guān)心是哥哥還是妹妹來發(fā)言，只要派一個(gè)姓李的來說兩句話就行。運(yùn)動(dòng)會(huì)如期舉行，妹妹抓鬮獲得代表李家發(fā)言的機(jī)會(huì)，哥哥參加了男子項(xiàng)目比賽，妹妹參加了女子項(xiàng)目比賽。比賽結(jié)果就不是我們關(guān)心的了。
現(xiàn)在讓我們來做個(gè)類比（只討論與運(yùn)動(dòng)會(huì)相關(guān)的話題）：
（1）類的設(shè)計(jì)：
李氏兄妹屬于李氏家族，李氏是基類（這里還是抽象的純基類），李氏又派生出兩個(gè)子類（李氏男和李氏女），李氏男會(huì)所有男子項(xiàng)目的比賽（李氏男的成員函數(shù)），李氏女會(huì)所有女子項(xiàng)目的比賽（李氏女的成員函數(shù)）。姓李的人都會(huì)發(fā)言（基類虛函數(shù)），李氏男和李氏女繼承自李氏當(dāng)然也會(huì)發(fā)言，只是男女說話聲音不一樣，內(nèi)容也會(huì)又差異，給人感覺不同（李氏男和李氏女分別重新定義發(fā)言這個(gè)虛函數(shù)）。李氏兩兄妹就是李氏男和李氏女兩個(gè)類的實(shí)體。
（2）程序設(shè)計(jì)：
李氏兄妹填寫參賽報(bào)名表。
（3）編譯：
李氏兄妹的參賽報(bào)名表被上交給組委會(huì)（編譯器），哥哥和妹妹分別參加男子和女子的比賽，組委會(huì)一看就明白了（早綁定），只是發(fā)言人選不明確，組委會(huì)看到報(bào)名表上寫的是“李家代表”（基類指針），組委會(huì)不能確定到底是誰，就做了個(gè)備注：如果是男的，就是哥哥李某某；如果是女的，就是妹妹李某某（晚綁定）。組委會(huì)做好其它準(zhǔn)備工作后，就等運(yùn)動(dòng)會(huì)開始了（編譯完畢）。
（4）程序運(yùn)行：
運(yùn)動(dòng)會(huì)開始了（程序開始運(yùn)行），開幕式上我們聽到了李家妹妹的發(fā)言，如果是哥哥運(yùn)氣好抓鬮勝出，我們將聽到哥哥的發(fā)言（多態(tài)）。然后就是看到兄妹倆參加比賽了。。。

但愿這個(gè)比喻說清楚了虛函數(shù)、多態(tài)、早綁定和晚綁定的概念和它們之間的關(guān)系。再說一下，早綁定指編譯器在編譯期間即知道對(duì)象的具體類型并確定此對(duì)象調(diào)用成員函數(shù)的確切地址；而晚綁定是根據(jù)指針?biāo)笇?duì)象的類型信息得到類的虛函數(shù)表指針進(jìn)而確定調(diào)用成員函數(shù)的確切地址。
 

2、揭密晚綁定的秘密

編譯器到底做了什么實(shí)現(xiàn)的虛函數(shù)的晚綁定呢？我們來探個(gè)究竟。

編譯器對(duì)每個(gè)包含虛函數(shù)的類創(chuàng)建一個(gè)表（稱為V TA B L E）。在V TA B L E中，編譯器放置特定類的虛函數(shù)地址。在每個(gè)帶有虛函數(shù)的類中，編譯器秘密地置一指針，稱為v p o i n t e r（縮寫為V P T R），指向這個(gè)對(duì)象的V TA B L E。通過基類指針做虛函數(shù)調(diào)用時(shí)（也就是做多態(tài)調(diào)用時(shí)），編譯器靜態(tài)地插入取得這個(gè)V P T R，并在V TA B L E表中查找函數(shù)地址的代碼，這樣就能調(diào)用正確的函數(shù)使晚捆綁發(fā)生。為每個(gè)類設(shè)置V TA B L E、初始化V P T R、為虛函數(shù)調(diào)用插入代碼，所有這些都是自動(dòng)發(fā)生的，所以我們不必?fù)?dān)心這些。利用虛函數(shù)，這個(gè)對(duì)象的合適的函數(shù)就能被調(diào)用，哪怕在編譯器還不知道這個(gè)對(duì)象的特定類型的情況下。（《C++編程思想》）

在任何類中不存在顯示的類型信息，可對(duì)象中必須存放類信息，否則類型不可能在運(yùn)行時(shí)建立。那這個(gè)類信息是什么呢？我們來看下面幾個(gè)類：

class no_virtual
{
public:
　　void fun1() const{}
　　int　fun2() const { return a; }
private:
　　int a;
}

class one_virtual
{
public:
　　virtual void fun1() const{}
　　int　fun2() const { return a; }
private:
　　int a;
}

class two_virtual
{
public:
　　virtual void fun1() const{}
　　virtual int　fun2() const { return a; }
private:
　　int a;
}

以上三個(gè)類中：
no_virtual沒有虛函數(shù)，sizeof(no_virtual)=4，類no_virtual的長(zhǎng)度就是其成員變量整型a的長(zhǎng)度；
one_virtual有一個(gè)虛函數(shù)，sizeof(one_virtual)=8；
two_virtual有兩個(gè)虛函數(shù)，sizeof(two_virtual)=8； 有一個(gè)虛函數(shù)和兩個(gè)虛函數(shù)的類的長(zhǎng)度沒有區(qū)別，其實(shí)它們的長(zhǎng)度就是no_virtual的長(zhǎng)度加一個(gè)void指針的長(zhǎng)度，它反映出，如果有一個(gè)或多個(gè)虛函數(shù)，編譯器在這個(gè)結(jié)構(gòu)中插入一個(gè)指針（ V P T R）。在one_virtual 和two_virtual之間沒有區(qū)別。這是因?yàn)閂 P T R指向一個(gè)存放地址的表，只需要一個(gè)指針，因?yàn)樗刑摵瘮?shù)地址都包含在這個(gè)表中。

這個(gè)VPTR就可以看作類的類型信息。

那我們來看看編譯器是怎么建立VPTR指向的這個(gè)虛函數(shù)表的。先看下面兩個(gè)類：
class base
{
public:
　　void bfun(){}
　　virtual void vfun1(){}
　　virtual int vfun2(){}
private:
　　int a;
}

class derived : public base
{
public:
　　void dfun(){}
　　virtual void vfun1(){}
　　virtual int vfun3(){}
private:
　　int b;
}

兩個(gè)類VPTR指向的虛函數(shù)表（VTABLE）分別如下：
base類
　　　　　　　　　　　——————
VPTR——> |&base::vfun1 |
　　　　　　　　　　　——————
　　　　　　　　 |&base::vfun2 |
　　　　　　　　　——————
　　　
derived類
　　　　　　　　　　　———————
VPTR——> |&derived::vfun1 |
　　　　　　　　　　　———————
　　　　　　　　　|&base::vfun2　　|
　　　　　　　　　———————
　　　　　　　　　|&derived::vfun3 |
　　　　　　　　　 ———————
　　
每當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)包含有虛函數(shù)的類或從包含有虛函數(shù)的類派生一個(gè)類時(shí)，編譯器就為這個(gè)類創(chuàng)建一個(gè)VTABLE，如上圖所示。在這個(gè)表中，編譯器放置了在這個(gè)類中或在它的基類中所有已聲明為virtual的函數(shù)的地址。如果在這個(gè)派生類中沒有對(duì)在基類中聲明為virtual的函數(shù)進(jìn)行重新定義，編譯器就使用基類的這個(gè)虛函數(shù)地址。（在derived的VTABLE中，vfun2的入口就是這種情況。）然后編譯器在這個(gè)類中放置VPTR。當(dāng)使用簡(jiǎn)單繼承時(shí)，對(duì)于每個(gè)對(duì)象只有一個(gè)VPTR。VPTR必須被初始化為指向相應(yīng)的VTABLE，這在構(gòu)造函數(shù)中發(fā)生。
一旦VPTR被初始化為指向相應(yīng)的VTABLE，對(duì)象就"知道"它自己是什么類型。但只有當(dāng)虛函數(shù)被調(diào)用時(shí)這種自我認(rèn)知才有用。

VPTR常常位于對(duì)象的開頭，編譯器能很容易地取到VPTR的值，從而確定VTABLE的位置。VPTR總指向VTABLE的開始地址，所有基類和它的子類的虛函數(shù)地址（子類自己定義的虛函數(shù)除外）在VTABLE中存儲(chǔ)的位置總是相同的，如上面base類和derived類的VTABLE中vfun1和vfun2的地址總是按相同的順序存儲(chǔ)。編譯器知道vfun1位于VPTR處，vfun2位于VPTR+1處，因此在用基類指針調(diào)用虛函數(shù)時(shí)，編譯器首先獲取指針指向?qū)ο蟮念愋托畔ⅲ╒PTR），然后就去調(diào)用虛函數(shù)。如一個(gè)base類指針pBase指向了一個(gè)derived對(duì)象，那pBase->vfun2()被編譯器翻譯為 VPTR+1 的調(diào)用，因?yàn)樘摵瘮?shù)vfun2的地址在VTABLE中位于索引為1的位置上。同理，pBase->vfun3()被編譯器翻譯為 VPTR+2的調(diào)用。這就是所謂的晚綁定。

我們來看一下虛函數(shù)調(diào)用的匯編代碼，以加深理解。

void test(base* pBase)
{
 pBase->vfun2();
}

int main(int argc, char* argv[])
{
 derived td;
 

 test(&td);
 
 return 0;
}

derived td;編譯生成的匯編代碼如下：
 mov DWORD PTR _td$[esp+24], OFFSET FLAT:??_7derived@@6B@ ; derived::`vftable'
 由編譯器的注釋可知，此時(shí)PTR _td$[esp+24]中存儲(chǔ)的就是derived類的VTABLE地址。
 
test(&td);編譯生成的匯編代碼如下：
 lea eax, DWORD PTR _td$[esp+24]　　
 mov DWORD PTR __$EHRec$[esp+32], 0
 push eax
 call test@@YAXPAVbase@@@Z　 ; test
 調(diào)用test函數(shù)時(shí)完成了如下工作：取對(duì)象td的地址，將其壓棧，然后調(diào)用test。

pBase->vfun2();編譯生成的匯編代碼如下：
　mov ecx, DWORD PTR _pBase$[esp-4]
 mov eax, DWORD PTR [ecx]
 jmp DWORD PTR [eax+4]
 首先從棧中取出pBase指針指向的對(duì)象地址賦給ecx，然后取對(duì)象開頭的指針變量中的地址賦給eax，此時(shí)eax的值即為VPTR的值，也就是VTABLE的地址。最后就是調(diào)用虛函數(shù)了，由于vfun2位于VTABLE的第二個(gè)位置，相當(dāng)于 VPTR+1，每個(gè)函數(shù)指針是4個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，所以最后的調(diào)用被編譯器翻譯為 jmp DWORD PTR [eax+4]。如果是調(diào)用pBase->vfun1()，這句就該被編譯為jmp DWORD PTR [eax]。