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C++中的多態(tài)與虛函數(shù)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方法

 更新時(shí)間：2016年12月21日 09:30:25   投稿：jingxian  
下面小編就為大家?guī)硪黄狢++中的多態(tài)與虛函數(shù)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方法。小編覺得挺不錯(cuò)的，現(xiàn)在就分享給大家，也給大家做個(gè)參考。一起跟隨小編過來看看吧

1、什么是多態(tài)

多態(tài)性可以簡(jiǎn)單概括為“一個(gè)接口，多種行為”。

也就是說，向不同的對(duì)象發(fā)送同一個(gè)消息， 不同的對(duì)象在接收時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的行為（即方法）。也就是說，每個(gè)對(duì)象可以用自己的方式去響應(yīng)共同的消息。所謂消息，就是調(diào)用函數(shù)，不同的行為就是指不同的實(shí)現(xiàn)，即執(zhí)行不同的函數(shù)。這是一種泛型技術(shù)，即用相同的代碼實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作。這體現(xiàn)了面向?qū)ο缶幊痰膬?yōu)越性。

多態(tài)分為兩種：

（1）編譯時(shí)多態(tài)：主要通過函數(shù)的重載和模板來實(shí)現(xiàn)。

（2）運(yùn)行時(shí)多態(tài)：主要通過虛函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2、幾個(gè)相關(guān)概念

（1）覆蓋、重寫（override）

override指基類的某個(gè)成員函數(shù)為虛函數(shù)，派生類又定義一成員函數(shù)，除函數(shù)體的其余部分都與基類的成員函數(shù)相同。注意，如果只是函數(shù)名相同，形參或返回類型不同的話，就不能稱為override，而是hide。

（2）重載（overload）

指同一個(gè)作用域出生多個(gè)函數(shù)名相同，但是形參不同的函數(shù)。編譯器在編譯的時(shí)候，通過實(shí)參的個(gè)數(shù)和類型，選擇最終調(diào)用的函數(shù)。

（3）隱藏（hide）

分為兩種：

1）局部變量或者函數(shù)隱藏了全局變量或者函數(shù)
2）派生類擁有和基類同名的成員函數(shù)或成員變量。

產(chǎn)生的結(jié)果：使全局或基類的變量、函數(shù)不可見。

3、幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子

/****************************************************************************************************** 
* File:PolymorphismTest 
* Introduction:測(cè)試多態(tài)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() //由于基類的foo函數(shù)并不是虛函數(shù)，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?yàn)閜是基類指針，p->foo指向一個(gè)具有固定偏移量的函數(shù)。也就是基類函數(shù) 
  p->fun(); //輸出4。多態(tài)。雖然p是基類指針，但實(shí)際上指向的是一個(gè)子類對(duì)象。p->fun指向的是一個(gè)虛函數(shù)。按照動(dòng)態(tài)類型，調(diào)用子類函數(shù)   
  return 0; 
}

4、運(yùn)行時(shí)多態(tài)以及虛函數(shù)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

看了上邊幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子，我恍然大悟，原來這就是多態(tài)，這么簡(jiǎn)單，明白啦！

好，那我們?cè)倏匆粋€(gè)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(yùn)行結(jié)果：

5241376 1563032

5241376 1563032

5241380 1563256

5241376 1563032

細(xì)心的同志一定發(fā)現(xiàn)了pB出了問題，為什么明明都是指向objC的指針，pB跟別人的值都不一樣呢？

是不是編譯器出了問題呢？

當(dāng)然不是！我們先講結(jié)論：

（1）每一個(gè)含有虛函數(shù)的類，都會(huì)生成虛表(virtual table)。這個(gè)表，記錄了對(duì)象的動(dòng)態(tài)類型，決定了執(zhí)行此對(duì)象的虛成員函數(shù)的時(shí)候，真正執(zhí)行的那一個(gè)成員函數(shù)。

（2）對(duì)于有多個(gè)基類的類對(duì)象，會(huì)有多個(gè)虛表，每一個(gè)基類對(duì)應(yīng)一個(gè)虛表，同時(shí)，虛表的順序和繼承時(shí)的順序相同。

（3）在每一個(gè)類對(duì)象所占用的內(nèi)存中，虛指針位于最前邊，每個(gè)虛指針指向?qū)?yīng)的虛表。

先從簡(jiǎn)單的單個(gè)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(gè)函數(shù) 
　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pA) +1); 
　　fun();//pA指向的第二個(gè)函數(shù) 
　　 
　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC)); 
　　fun();//pC指向的第一個(gè)函數(shù) 
　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC) + 1); 
　　fun();//pC指向的第二個(gè)函數(shù) 
　　return 0; 
}

運(yùn)行結(jié)果：

FunA1
FunA2
FunA1C
FunA2
是不是有點(diǎn)暈？沒關(guān)系。我一點(diǎn)一點(diǎn)解釋：pA對(duì)應(yīng)一個(gè)A的對(duì)象，我們可以畫出這樣的一個(gè)表：
　　　　　　
這就是對(duì)象*pA的虛表，兩個(gè)虛函數(shù)以聲明順序排列。pA指向?qū)ο?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(xiàn)了前兩個(gè)結(jié)果。
根據(jù)后兩個(gè)結(jié)果， 我們可以推測(cè)*pC的虛表如下圖所示：
　　　　　　
也就是說，由于C中的FunA重寫(override)了A中的FunA，虛擬表中虛擬函數(shù)的地址也被重寫了。
就是這樣，這就是多態(tài)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部機(jī)制。
我們?cè)倩氐阶畛醯膯栴}：為什么*pB出了問題。
根據(jù)上邊的結(jié)論，我們大膽地進(jìn)行猜測(cè)：由于C是由A、B派生而來，所以objC有兩個(gè)虛擬表，而由于表的順序，pA、pC都指向了對(duì)應(yīng)于A的虛擬表，而pB則指向了對(duì)應(yīng)于B的虛擬表。做個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)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(gè)表第一個(gè)函數(shù) 
　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pC)+1); 
　　fun();//第一個(gè)表第二個(gè)函數(shù) 
　　fun = (Fun)*((int*)(*((int*)pC+1))); 
　　fun();<span style="white-space:pre"> </span>//第二個(gè)表第一個(gè)函數(shù) 
　　fun = (Fun)*((int*)(*(int*)pB)); 
　　fun();//pB指向的表的第一個(gè)函數(shù) 
　　return 0; 
}

哈哈，和我們的猜測(cè)完全一致：

FunA1C
FunA2
FunB
FunB
我們可以畫出這樣的虛函數(shù)圖：
　　　　　　　　
暫且這樣理解，編譯器執(zhí)行B *pB = &objC時(shí)不是僅僅是賦值，而是做了相應(yīng)的優(yōu)化，將pB指向了第二張?zhí)摫怼?/span>
說了這么多，我是只是簡(jiǎn)單地解釋了虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，可究竟對(duì)象的內(nèi)部的內(nèi)存布局是怎樣的？類數(shù)據(jù)成員與多個(gè)虛表的具體內(nèi)存布局又是怎樣的？編譯器是如何在賦值的時(shí)候作了優(yōu)化的呢？我在以后的時(shí)間里會(huì)講一下。

以上就是小編為大家?guī)淼腃++中的多態(tài)與虛函數(shù)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方法全部?jī)?nèi)容了，希望大家多多支持腳本之家~

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