C++虛函數和多態(tài)學(xué)習筆記

1、什么是虛函數和多態(tài)

虛函數是在類(lèi)中被聲明為virtual的成員函數，當編譯器看到通過(guò)指針或引用調用此類(lèi)函數時(shí)，對其執行晚綁定，即通過(guò)指針（或引用）指向的類(lèi)的類(lèi)型信息來(lái)決定該函數是哪個(gè)類(lèi)的。通常此類(lèi)指針或引用都聲明為基類(lèi)的，它可以指向基類(lèi)或派生類(lèi)的對象。
多態(tài)指同一個(gè)方法根據其所屬的不同對象可以有不同的行為（根據自己理解，不知這么說(shuō)是否嚴謹）。

舉個(gè)例子說(shuō)明虛函數、多態(tài)、早綁定和晚綁定：
李氏兩兄妹（哥哥和妹妹）參加姓氏運動(dòng)會(huì )（不同姓氏組隊參加），哥哥男子項目比賽，妹妹參加女子項目比賽，開(kāi)幕式有一個(gè)參賽隊伍代表發(fā)言?xún)x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，它才不關(guān)心是哥哥還是妹妹來(lái)發(fā)言，只要派一個(gè)姓李的來(lái)說(shuō)兩句話(huà)就行。運動(dòng)會(huì )如期舉行，妹妹抓鬮獲得代表李家發(fā)言的機會(huì )，哥哥參加了男子項目比賽，妹妹參加了女子項目比賽。比賽結果就不是我們關(guān)心的了。
現在讓我們來(lái)做個(gè)類(lèi)比（只討論與運動(dòng)會(huì )相關(guān)的話(huà)題）：
（1）類(lèi)的設計：
李氏兄妹屬于李氏家族，李氏是基類(lèi)（這里還是抽象的純基類(lèi)），李氏又派生出兩個(gè)子類(lèi)（李氏男和李氏女），李氏男會(huì )所有男子項目的比賽（李氏男的成員函數），李氏女會(huì )所有女子項目的比賽（李氏女的成員函數）。姓李的人都會(huì )發(fā)言（基類(lèi)虛函數），李氏男和李氏女繼承自李氏當然也會(huì )發(fā)言，只是男女說(shuō)話(huà)聲音不一樣，內容也會(huì )又差異，給人感覺(jué)不同（李氏男和李氏女分別重新定義發(fā)言這個(gè)虛函數）。李氏兩兄妹就是李氏男和李氏女兩個(gè)類(lèi)的實(shí)體。
（2）程序設計：
李氏兄妹填寫(xiě)參賽報名表。
（3）編譯：
李氏兄妹的參賽報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 )看到報名表上寫(xiě)的是“李家代表”（基類(lèi)指針），組委會(huì )不能確定到底是誰(shuí)，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 )做好其它準備工作后，就等運動(dòng)會(huì )開(kāi)始了（編譯完畢）。
（4）程序運行：
運動(dòng)會(huì )開(kāi)始了（程序開(kāi)始運行），開(kāi)幕式上我們聽(tīng)到了李家妹妹的發(fā)言，如果是哥哥運氣好抓鬮勝出，我們將聽(tīng)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(shuō)清楚了虛函數、多態(tài)、早綁定和晚綁定的概念和它們之間的關(guān)系。再說(shuō)一下，早綁定指編譯器在編譯期間即知道對象的具體類(lèi)型并確定此對象調用成員函數的確切地址；而晚綁定是根據指針所指對象的類(lèi)型信息得到類(lèi)的虛函數表指針進(jìn)而確定調用成員函數的確切地址。
 

2、揭密晚綁定的秘密

編譯器到底做了什么實(shí)現的虛函數的晚綁定呢？我們來(lái)探個(gè)究竟。

編譯器對每個(gè)包含虛函數的類(lèi)創(chuàng )建一個(gè)表（稱(chēng)為V TA B L E）。在V TA B L E中，編譯器放置特定類(lèi)的虛函數地址。在每個(gè)帶有虛函數的類(lèi)中，編譯器秘密地置一指針，稱(chēng)為v p o i n t e r（縮寫(xiě)為V P T R），指向這個(gè)對象的V TA B L E。通過(guò)基類(lèi)指針做虛函數調用時(shí)（也就是做多態(tài)調用時(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表中查找函數地址的代碼，這樣就能調用正確的函數使晚捆綁發(fā)生。為每個(gè)類(lèi)設置V TA B L E、初始化V P T R、為虛函數調用插入代碼，所有這些都是自動(dòng)發(fā)生的，所以我們不必擔心這些。利用虛函數，這個(gè)對象的合適的函數就能被調用，哪怕在編譯器還不知道這個(gè)對象的特定類(lèi)型的情況下。（《C++編程思想》）

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

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(lèi)中：
no_virtual沒(méi)有虛函數，sizeof(no_virtual)=4，類(lèi)no_virtual的長(cháng)度就是其成員變量整型a的長(cháng)度；
one_virtual有一個(gè)虛函數，sizeof(one_virtual)=8；
two_virtual有兩個(gè)虛函數，sizeof(two_virtual)=8； 有一個(gè)虛函數和兩個(gè)虛函數的類(lèi)的長(cháng)度沒(méi)有區別，其實(shí)它們的長(cháng)度就是no_virtual的長(cháng)度加一個(gè)void指針的長(cháng)度，它反映出，如果有一個(gè)或多個(gè)虛函數，編譯器在這個(gè)結構中插入一個(gè)指針（ V P T R）。在one_virtual 和two_virtual之間沒(méi)有區別。這是因為V P T R指向一個(gè)存放地址的表，只需要一個(gè)指針，因為所有虛函數地址都包含在這個(gè)表中。

這個(gè)VPTR就可以看作類(lèi)的類(lèi)型信息。

那我們來(lái)看看編譯器是怎么建立VPTR指向的這個(gè)虛函數表的。先看下面兩個(gè)類(lèi)：
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(lèi)VPTR指向的虛函數表（VTABLE）分別如下：
base類(lèi)
　　　　　　　　　　　——————
VPTR——> |&base::vfun1 |
　　　　　　　　　　　——————
　　　　　　　　 |&base::vfun2 |
　　　　　　　　　——————
　　　
derived類(lèi)
　　　　　　　　　　　———————
VPTR——> |&derived::vfun1 |
　　　　　　　　　　　———————
　　　　　　　　　|&base::vfun2　　|
　　　　　　　　　———————
　　　　　　　　　|&derived::vfun3 |
　　　　　　　　　 ———————
　　
每當創(chuàng )建一個(gè)包含有虛函數的類(lèi)或從包含有虛函數的類(lèi)派生一個(gè)類(lèi)時(shí)，編譯器就為這個(gè)類(lèi)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(lèi)中或在它的基類(lèi)中所有已聲明為virtual的函數的地址。如果在這個(gè)派生類(lèi)中沒(méi)有對在基類(lèi)中聲明為virtual的函數進(jìn)行重新定義，編譯器就使用基類(lèi)的這個(gè)虛函數地址。（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(lèi)中放置VPTR。當使用簡(jiǎn)單繼承時(shí)，對于每個(gè)對象只有一個(gè)VPTR。VPTR必須被初始化為指向相應的VTABLE，這在構造函數中發(fā)生。
一旦VPTR被初始化為指向相應的VTABLE，對象就"知道"它自己是什么類(lèi)型。但只有當虛函數被調用時(shí)這種自我認知才有用。

VPTR常常位于對象的開(kāi)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(kāi)始地址，所有基類(lèi)和它的子類(lèi)的虛函數地址（子類(lèi)自己定義的虛函數除外）在VTABLE中存儲的位置總是相同的，如上面base類(lèi)和derived類(lèi)的VTABLE中vfun1和vfun2的地址總是按相同的順序存儲。編譯器知道vfun1位于VPTR處，vfun2位于VPTR+1處，因此在用基類(lèi)指針調用虛函數時(shí)，編譯器首先獲取指針指向對象的類(lèi)型信息（VPTR），然后就去調用虛函數。如一個(gè)base類(lèi)指針pBase指向了一個(gè)derived對象，那pBase->vfun2()被編譯器翻譯為 VPTR+1 的調用，因為虛函數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的調用。這就是所謂的晚綁定。

我們來(lái)看一下虛函數調用的匯編代碼，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]中存儲的就是derived類(lèi)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
 調用test函數時(shí)完成了如下工作：取對象td的地址，將其壓棧，然后調用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指針指向的對象地址賦給ecx，然后取對象開(kāi)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。最后就是調用虛函數了，由于vfun2位于VTABLE的第二個(gè)位置，相當于 VPTR+1，每個(gè)函數指針是4個(gè)字節長(cháng)，所以最后的調用被編譯器翻譯為 jmp DWORD PTR [eax+4]。如果是調用pBase->vfun1()，這句就該被編譯為jmp DWORD PTR [eax]。