C++中的多態與虛函數的內部實現方法_C 語言

1、什麼是多態

多態性可以簡單概括為“一個介面，多種行為”。

也就是說，向不同的對象發送同一個訊息， 不同的對象在接收時會產生不同的行為（即方法）。也就是說，每個對象可以用自己的方式去響應共同的訊息。所謂訊息，就是調用函數，不同的行為就是指不同的實現，即執行不同的函數。這是一種泛型技術，即用相同的代碼實現不同的動作。這體現了物件導向編程的優越性。

多態分為兩種：

（1）編譯時間多態：主要通過函數的重載和模板來實現。

（2）運行時多態：主要通過虛函數來實現。

2、幾個相關概念

（1）覆蓋、重寫（override）

override指基類的某個成員函數為虛函數，衍生類別又定義一成員函數，除函數體的其餘部分都與基類的成員函數相同。注意，如果只是函數名相同，形參或傳回型別不同的話，就不能稱為override，而是hide。

（2）重載（overload）

指同一個範圍出生多個函數名相同，但是形參不同的函數。編譯器在編譯的時候，通過實參的個數和類型，選擇最終調用的函數。

（3）隱藏（hide）

分為兩種：

1）局部變數或者函數隱藏了全域變數或者函數
2）衍生類別擁有和基類同名的成員函數或成員變數。

產生的結果：使全域或基類的變數、函數不可見。

3、幾個簡單的例子

/****************************************************************************************************** * File:PolymorphismTest * Introduction:測試多態的一些特性。 * Author:CoderCong* Date:20141114 * LastModifiedDate:20160113 *******************************************************************************************************/ #include "stdafx.h" #include <iostream> using namespace std; class A { public:   void foo()   {     printf("1\n");   }   virtual void fun()   {     printf("2\n");   } }; class B : public A { public:   void foo() //由於基類的foo函數並不是虛函數，所以是隱藏，而不是重寫   {     printf("3\n");   }   void fun() //重寫   {     printf("4\n");   } }; int main(void) {   A a;   B b;   A *p = &a;   p->foo(); //輸出1。   p->fun(); //輸出2。   p = &b;   p->foo(); //輸出1。因為p是基類指標，p->foo指向一個具有固定位移量的函數。也就是基類函數   p->fun(); //輸出4。多態。雖然p是基類指標，但實際上指向的是一個子類對象。p->fun指向的是一個虛函數。按照動態類型，調用子類函數     return 0; }

4、運行時多態以及虛函數的內部實現

看了上邊幾個簡單的例子，我恍然大悟，原來這就是多態，這麼簡單，明白啦！

好，那我們再看一個例子：

class A { public:   virtual void FunA() 　　{ 　　　　cout << "FunA1" << endl; 　　}; 　　virtual void FunAA() 　　{ 　　　　cout << "FunA2" << endl; 　　} }; class B { public:   virtual void FunB() 　　{ 　　　　cout << "FunB" << endl; 　　} }; class C :public A, public B { public: 　　virtual void FunA() 　　{ 　　　　cout << "FunA1C" << endl; 　　}; }; int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { 　　C objC; 　　A *pA = &objC; 　　B *pB = &objC; 　　C *pC = &objC;  　 printf("%d %d\n", &objC, objC); 　　printf("%d %d\n", pA, *pA); 　　printf("%d %d\n", pB, *pB); 　　printf("%d %d\n", pC, *pC);  　　return 0; }

運行結果：

5241376 1563032

5241376 1563032

5241380 1563256

5241376 1563032

細心的同志一定發現了pB出了問題，為什麼明明都是指向objC的指標，pB跟別人的值都不一樣呢？

是不是編譯器出了問題呢？

當然不是！我們先講結論：

（1）每一個含有虛函數的類，都會產生虛表(virtual table)。這個表，記錄了對象的動態類型，決定了執行此對象的虛成員函數的時候，真正執行的那一個成員函數。

（2）對於有多個基類的類對象，會有多個虛表，每一個基類對應一個虛表，同時，虛表的順序和繼承時的順序相同。

（3）在每一個類對象所佔用的記憶體中，虛指標位於最前邊，每個虛指標指向對應的虛表。

先從簡單的單個基類說起：

class A { public: 　　virtual void FunA() 　　{ 　　　　cout << "FunA1" << endl; 　　} 　　virtual void FunA2() 　　{ 　　　　cout << "FunA2" << endl; 　　} };  class C :public A { 　　virtual void FunA() 　　{ 　　　　cout << "FunA1C" << endl; 　　}}; int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { 　　A *pA = new A; 　　C *pC = new C; 　　typedef void (*Fun)(void);  　　Fun fun= (Fun)*((int*)(*(int*)pA)); 　　fun();//pA指向的第一個函數 　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pA) +1); 　　fun();//pA指向的第二個函數 　　 　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC)); 　　fun();//pC指向的第一個函數 　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC) + 1); 　　fun();//pC指向的第二個函數 　　return 0; }

運行結果：

FunA1
FunA2
FunA1C
FunA2

是不是有點暈？沒關係。我一點一點解釋：pA對應一個A的對象，我們可以畫出這樣的一個表：

　　　　　　

這就是對象*pA的虛表，兩個虛函數以聲明順序排列。pA指向對象*pA，則*(int*)pA指向此虛擬表，則(Fun)*((int*)(*(int*)pA))指向FunA，同理，(Fun)*((int*)(*(int*)pA) + 1)指向FunA2。所以，出現了前兩個結果。

根據後兩個結果， 我們可以推測*pC的虛表如下圖所示：

　　　　　　

也就是說，由於C中的FunA重寫(override)了A中的FunA，虛擬表中虛擬函數的地址也被重寫了。

就是這樣，這就是多態實現的內部機制。

我們再回到最初的問題：為什麼*pB出了問題。

根據上邊的結論，我們大膽地進行猜測：由於C是由A、B派生而來，所以objC有兩個虛擬表，而由於表的順序，pA、pC都指向了對應於A的虛擬表，而pB則指向了對應於B的虛擬表。做個實驗來驗證我們的猜想是否正確：

我們不改變A、B、C類，將問題中的main改一下：

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { 　　C objC; 　　A *pA = &objA; 　　B *pB = &objC; 　　C *pC = &objC; 　　 　　typedef void (*Fun)(void);  　　Fun fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC)); 　　fun();//第一個表第一個函數 　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC)+1); 　　fun();//第一個表第二個函數 　　fun = (Fun)*((int*)(*((int*)pC+1))); 　　fun();<span style="white-space:pre"> </span>//第二個表第一個函數 　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pB)); 　　fun();//pB指向的表的第一個函數 　　return 0; }

哈哈，和我們的猜測完全一致：

FunA1C
FunA2
FunB
FunB

我們可以畫出這樣的虛函數圖：

　　　　　　　　

暫且這樣理解，編譯器執行B *pB = &objC時不是僅僅是賦值，而是做了相應的最佳化，將pB指向了第二張虛表。

說了這麼多，我是只是簡單地解釋了虛函數的實現原理，可究竟對象的內部的記憶體布局是怎樣的？類資料成員與多個虛表的具體記憶體布局又是怎樣的？編譯器是如何在賦值的時候作了最佳化的呢？我在以後的時間裡會講一下。

以上就是小編為大家帶來的C++中的多態與虛函數的內部實現方法全部內容了，希望大家多多支援雲棲社區~