从编译器角度理解虚函数静态绑定和动态绑定

Posted 2022-12-13 Redamanc

虚函数、静态绑定、动态绑定

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  • 示例结果
  • 对比代码
  • 对比结果
  • 虚函数
  • 静态绑定
  • 动态绑定
  • 查看虚函数表

示例代码

我们首先来看这么一段代码，设计了两个类：Base、Derive；
Base类包含一个保护的成员变量：ma；
以及构造函数和两个show方法（一个不带参数，一个带有参数）。
Derive类公有继承Base类：class Derive : public Base；
包含一个私有的成员变量：mb；
以及构造函数和一个show方法（不带有参数）。

class Base

public:
	Base(int data = 10) :ma(data) 
	void show()  cout << "Base::show()" << endl; 
	void show(int)  cout << "Base::show(int)" << endl; 
protected:
	int ma;
;

class Derive : public Base

public:
	Derive(int data = 20) :Base(data), mb(data) 
	void show()  cout << "Derive::show()" << endl; 
private:
	int mb;
;

接下来，我们通过如下代码运行该程序：

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;

int main()

	Derive d(50);
	Base* pb = &d;

	pb->show();	
	pb->show(10);  

	cout << sizeof(Base) << endl;
	cout << sizeof(Derive) << endl;

	cout << typeid(pb).name() << endl;
	cout << typeid(*pb).name() << endl;
	
	return 0;

可以看到，我们先是实例化了一个派生类对象d,
接着用一个基类指针pb指向了d,
然后通过pb分别调用不带参数和带有参数的方法；
并且分别打印类型信息。

注意：
因为想要打印有关类型的信息，所以我们加入了#include <typeinfo>的头文件。

示例结果

可以看到结果：
因为pb是Base类型的指针，所以调用的都是Base类的成员方法；
基类Base只有一个数据成员ma，所以大小只有4字节；
派生类Derive继承了ma，其次还有自己的mb，所以有8字节；
pb的类型是一个class Base *；
*pb的类型是一个class Base。
为了更好地理解上述过程，我们简单画图如下：

为什么Base *类型的指针，Derive类型的对象，调用方法的时候是Base而不是Derive呢？
原因如上图：
Derive类继承了Base类，导致了派生类的大小要比基类大，而pb的类型是基类的指针，所以通过pb调用方法时只能访问到Derive中从Base继承而来的方法，访问不到自己重写的方法（指针的类型限制了指针解引用的能力）。

对比代码

接下来我们修改代码：
在基类的两个成员方法前面加上virtual关键字：

class Base

public:
	Base(int data = 10) :ma(data) 
	virtual void show()  cout << "Base::show()" << endl; 
	virtual void show(int)  cout << "Base::show(int)" << endl; 
protected:
	int ma;
;

class Derive : public Base

public:
	Derive(int data = 20) :Base(data), mb(data) 
	void show()  cout << "Derive::show()" << endl; 
private:
	int mb;
;

对比结果

之后再次运行上述main代码，结果如下：

可以看到这次的结果：
pb调用无参show方法是调用的是Derive的方法；
pb调用带参show方法还是调用的Base的方法；
基类和派生类的大小均增加了4；
pb的类型还是class Base *；
但是*pb的类型变为了class Derive。

虚函数

在我们添加了virtual关键字后，对应的函数就变成了虚函数；
那么，一个类添加了虚函数，对这个类有什么影响呢？

1. 首先，如果类里面定义了虚函数，那么编译阶段，编译器给这个类类型产生一个唯一的vftable虚函数表，虚函数表中主要存储的内容是：RTTI(Run-time Type Information)指针和虚函数的地址，当程序运行时，每一张虚函数表都会加载到内存的.rodata区；
2. 一个类里面定义了虚函数，那么这个类定义的对象，在运行时，内存中会多存储一个vfptr虚函数指针，指向了对应类型的虚函数表vftable；
3. 一个类型定义的n个对象，他们的vfptr指向的都是同一张虚函数表；
4. 一个类里面虚函数的个数，不影响对象内存的大小(vfptr)，影响的是虚函数表的大小。

图示如下：（以Base为例）

静态绑定

静态：可以理解为：编译时期 确定的；
绑定：可以理解为：函数的调用；
我们回到不加虚函数的代码，执行代码：

int main()

	Derive d(50);
	Base* pb = &d;

	pb->show();	

执行到pb->show()的时候，我们在此处下一个断点，进入反汇编：

我们可以看到：
在编译时期，汇编码就已经确定了此处函数的调用（给出了作用域、函数名、函数地址等确切信息）；
换句话说：在编译时期，编译器就已经确定了如何执行这一条语句。

动态绑定

动态：可以理解为：运行时期 确定的；
绑定：可以理解为：函数的调用；
同样的，我们这次回到加虚函数的代码，执行代码：

int main()

	Derive d(50);
	Base* pb = &d;

	pb->show();	

依然在最后一句下断点，反汇编进去：

我们可以看到这一次，汇编码call的就不是确切的函数地址了，而是寄存器eax；
那么就很好理解了：
eax寄存器里存放的是什么内容，编译阶段根本无从知晓，只能在运行的时候确定；
故，动态绑定。

查看虚函数表

最后，我们还可以通过VS的工具来查看虚函数表的有关信息，操作如下：
（注意：博主使用的是VS 2019，其他版本的可能稍有不同）

1. 首先在工具栏中找到：命令行、开发者命令提示：
   

2. 切换到当前文件的目录下：
   

3. 输入命令：cl XXX.cpp /d1reportSingleClassLayoutXX(第一个XXX表示源文件的名字，第二个代表你想查看的类类型，我这里就是Derive)