C++的多态如何在编译和运行期实现

2018/09/04 14:13
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多态是什么?简单来说,就是某段程序调用了一个API接口,但是这个API有许多种实现,根据上下文的不同,调用这段API的程序,会调用该API的不同实现。今天我们只关注继承关系下的多态。

 

还是得通过一个例子来看看C++是怎样在编译期和运行期来实现多态的。很简单,定义了一个Father类,它有一个testVFunc虚函数哟。再定义了一个继承Father的Child类,它重新实现了testVFunc函数,当然,它也学习Father定义了普通的成员函数testFunc。大家猜猜程序的输出是什么?

 


同样调用了testFunc和testVfunc,输出截然不同,这就是多态了。它的g++编译器输出结果是:

 

 


看看main函数里调用的五个test*Func方法吧,这里有静态的多态,也有动态的多态。编译是静态的,运行是动态的。以下解释C++编译器是怎么形成上述结果的。

 

 

首先让我们用gcc -S来生成汇编代码,看看main函数里是怎么调用这五个test*Func方法的。

 

 

 

红色的代码,就是在依次调用上面5个test*Func。可以看到,第1、3次testFunc调用,其结果已经在编译出来的汇编语言中定死了,C++代码都是调用某个对象指针指向的testFunc()函数,输出结果却不同,第1次是:Father testFunc 1,第3次是:Child testFunc 0:1,原因何在?在编译出的汇编语言很明显,第一次调用的是_ZN6Father8testFuncEv代码段,第三次调用的是_ZN5Child8testFuncEv代码段,两个不同的代码段!编译完就已经决定出同一个API用哪种实现,这就是编译期的多态。

 

第2、4次testVFunc调用则不然,编译完以后也不知道以后究竟是调用Father还是Child的testVFunc实现,直到运行时,拿到CPU寄存器里的指针了,才知道这个指针究竟指向Father还是Child的testVFunc实现。这就是运行期的多态了。

 

现在我们看看,C++的对象模型是怎么实现这一点的,以及为什么最后打印的是如此结果。还以上面的代码做例子,生成的pFalseFather指向的对象是一个Child对象,它的内存布局是:

再来看看调用代码:

 


当我们调用pFaseFather->testFunc()代码时,这不是个virtual函数,所以,汇编代码里直接调用了Father::testFunc()实现,这是C++的规则。C++中,如果不是virtual字段的成员函数,调用它的程序将在编译时就直接调用到函数实现。所以,这行代码将执行以下C++代码:

 

 


注意到,pFaseFather指向的是个Child对象,所以Child对象在生成时同时执行了自己和Father父类的构造函数,所以,m_fMember被初始化为1,打印的结果就是Father testFunc 1。

 

 

而pFalseFather->testVFunc();调用了vptl指向的函数,上面说了,pFaseFather指向的是个Child对象,而Child对象实现了自己的testVFunc方法,在你new一个Child对象时,编译器会将vptl指向它自己的testVFunc的。所以,将会执行下面的C++代码:

 


m_cMemeber被Child的构造函数初始化为2,m_fMember被Father的构造函数初始化为1,所以打印出的结果是:Child testVFunc 2:1。

 

 

下面我们看看最后三个调用:

 

 

 

我们生成了一个pRealFather指向Father对象,它的内存空间是这样的:

而后我们通过:

 


指针pFalseChild是个Child类型,但它实际指向的是个Father对象。首先它调用testFunc函数,到底执行Father还是Child的实现呢?上面说过,非virtual函数一律编译期根据类型决定,所以,它调用的是Child实现:

 


这里,m_fMember被Father的构造函数初始化为1,而m_cMember已经内存越界了!没错,在32位机器上,Father对象只有8个字节,而Child对象有12个字节,访问的m_cMember就是第9-12个字节转换成的int类型。通常情况,这段内存都是全0的,所以,m_cMember是0。看看结果:Child testFunc 0:1。

 

然后它调用testVFunc了,这次执行父类还是子类的?是父类的,因为这个对象是Father对象,在new出来的时候,Father的构造函数会把vptl指针指向自己的testVFunc实现哟。所以将会执行C++代码:

 


执行结果自然是:Father testVFunc 1。

 

 

最后一个调用testNFunc,真实的Father对象对应的Father类中可没有这个函数,但是实际编译执行都没问题,why?同上理,在main函数中,因为指针pFalseChild是个Child类型,编译完的汇编语言在pFalseChild->testNFunc();这里就直接调用Child的testNFunc实现了,虽然m_cMember越界了,可是并不影响程序的执行哦。

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