C++多态实现原理

Posted 2021-04-03 Windows开发

---

多态是C++的一个重要特性，本文将深入介绍C++编译器是如何实现C++多态特性。

先看一段涉及多态的代码。

#include <iostream>using namespace std;
class BaseClass{public: virtual ~BaseClass() {}    virtual void VirtualFunction1() {  cout << "I am base virtual function 1" << endl;  }    virtual void VirtualFunction2() {  cout << "I am base virtual function 2" << endl;  }    void NonVirtualFunction() {  cout << "I am base non virtual function" << endl;  }private: int m_nBaseField = 0;};
class SubClass : public BaseClass {public: virtual ~SubClass() {}    virtual void VirtualFunction1() override {  cout << "I am subclass function 1, override base class" << endl;  }    void NonVirtualFunction() {  cout << "I am subclass non virtual function" << endl;  }private: int m_nSubClassField = 0;};
int main(){ BaseClass baseClass; SubClass subClass; BaseClass* pBaseClass = &baseClass; pBaseClass->VirtualFunction1(); pBaseClass = &subClass; pBaseClass->VirtualFunction1(); pBaseClass->NonVirtualFunction(); return 0;}

如上示例代码，定义基类BaseClass，BaseClass定义了虚析构函数、虚函数VirtualFunction1、虚函数VirtualFunction2、非虚函数NonVirtualFunction。

然后定义子类SubClass继承于BaseClass，覆盖重写BaseClass的虚析构函数、虚函数VirtualFunction1、函数NonVirtualFunction，未覆盖重写BaseClass的虚函数VirtualFunction2。

Main函数定义了两个对象baseClass和subClass，定义了BaseClass指针pBaseClass，先让pBaseClass指向baseClass对象，调用VirtualFunction1，然后让pBaseClass指向subClass，调用VirtualFunction1和NonVirtualFunction。

下面是输出结果：

从输出结果知：

第一，pBaseClass指向baseClass对象，调用VirtualFunction1时，是调用BaseClass::VirtualFunction1。当pBaseClass指向subClass对象，调用VirtualFunction1时，是调用SubClass::VirtualFunction1。也就是说，pBaseClass同样调用VirtualFunction1，但是会因为pBaseClass指向的对象不同，而产生不同的行为（调用不同的方法），这就是多态。

第二，pBaseClass指向subClass对象，调用NonVirtualFunction时，调用的是BaseClass::NonVirtualFunction，而不是SubClass::NonVirtualFunction。

 

接下来将重点解释下这两个结论，首先让我们看下baseClass和subClass这两个对象的内存布局。

subClass继承于baseClass，内存布局上首先是baseClass的__vfptr和数据成员m_nBaseField，然后是SubClass定义的数据成员m_nSubClassField。subClass的__vfptr的值与baseClass的__vfptr的值不同，说明它们指向的虚函数表是不一样的。由于subClass没有新增虚函数，所以虚函数表也是三个元素与BaseClass的虚函数个数相同。但是，subClass覆盖重写了baseClass的虚析构函数和VirtualFunction1，所以第一和第二个元素的值不同，指向的是SubClass对应的虚函数。由于VirtualFunction2未被覆盖重写，所以第三个元素的值与BaseClass的虚函数表的第三个元素的值相同，都指向BaseClass::VirtualFunction2。

NonVirtualFunction不是虚函数，所以没有在虚函数表中。

 

接下来，我将结合虚函数表和汇编代码对上面的结论进行解释说明。

 

指针pBaseClass指向subClass对象，为什么调用VirtualFunction1方法时，是调用subClass::VirtualFunction1呢？让我们先看下汇编代码。

其次，读取eax所指向的内存的值放入寄存器edx，也就是pBaseClass->__vfptr的值（虚函数表指针的值）。

最后，call eax，也就是call VirtualFunction1。