多態(tài)問題

筆者校招面試時(shí)被問到了著名問題「C++ 與 Java 如何實(shí)現(xiàn)多態(tài)」，然后不幸翻車。過于著名反而沒有去準(zhǔn)備，只知道跟虛函數(shù)表有關(guān)。面試之后比較了 C++ 和 Java 多態(tài)的實(shí)現(xiàn)的異同，一并記錄在這里。

C++ 多態(tài)的虛指針實(shí)現(xiàn)

首先討論 C++. 多態(tài)也即子類對(duì)父類成員函數(shù)進(jìn)行了重寫 (Override) 后，將一個(gè)子類指針賦值給父類，再對(duì)這個(gè)父類指針調(diào)用成員函數(shù)，會(huì)調(diào)用子類重寫版本的成員函數(shù)。簡(jiǎn)單的例子：

class Parent1 {
  public:
  virtual void sayHello() { printf("Hello from parent1!\n"); }
};

class Child : public Parent1 {
  public:
  virtual void sayHello() { printf("Hello from child!\n"); }
};

int main() {
  Parent1 *p = new Child();
  p->sayHello();  // get "Hello from child!"
}

首先需要明白，對(duì)于底層實(shí)現(xiàn)而言，成員函數(shù)就是第一個(gè)參數(shù)為對(duì)象指針的函數(shù)，編譯器自動(dòng)將對(duì)象指針添加到函數(shù)參數(shù)中并命名為 this 指針，除此之外與普通函數(shù)并無(wú)本質(zhì)不同。對(duì)于非多態(tài)的成員函數(shù)調(diào)用，與非成員函數(shù)調(diào)用過程基本是一致的，根據(jù)參數(shù)列表（參數(shù)列表中包含對(duì)象指針類型）和函數(shù)名在編譯時(shí)確定實(shí)際調(diào)用的函數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)多態(tài)，不能只根據(jù)對(duì)象指針類型推斷函數(shù)簽名，也即例子中，p->sayHello() 這一行代碼在執(zhí)行時(shí)不能只根據(jù) p 的類型確認(rèn)調(diào)用的函數(shù)應(yīng)該是 Parent::sayHello 還是 Child:sayHello。在多態(tài)機(jī)制下，每個(gè)類父類和子類都需要在其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中多攜帶一個(gè)指針，這個(gè)指針指向該類的虛函數(shù)表。

類的虛函數(shù)表也即所有可能發(fā)生重寫的函數(shù)指針表，對(duì)象創(chuàng)建時(shí)根據(jù)其實(shí)際類型決定其虛函數(shù)指針指向的虛函數(shù)列表。如在上文的例子中，Parent1 和 Child 類的虛函數(shù)列表都只有一個(gè)函數(shù)，分別是 Parent1::sayHello 和 Child::sayHello. 編譯器在編譯時(shí)將會(huì)把函數(shù)調(diào)用翻譯為「引用虛函數(shù)表中的第 N 個(gè)函數(shù)」這樣的指令，比如本例中翻譯為「引用虛函數(shù)表中第一個(gè)函數(shù)」。在運(yùn)行時(shí)讀取虛函數(shù)表中真正的函數(shù)指針。運(yùn)行時(shí) CPU 代價(jià)基本是一次指針解引用和一次下表訪問。

Parent1 和 Child 對(duì)象都沒有自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行以下代碼能夠確認(rèn) Parent1 和 Child 對(duì)象的真實(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大小都是 8 字節(jié)，也即只有虛函數(shù)列表指針。把 Parent1 和 Child1 對(duì)象作為 64 位整數(shù)輸出，可以看到 p1, p2 的值相同，p3 與前兩者不同。這個(gè)值也即相應(yīng)類的虛函數(shù)表地址。

Parent1* p1 = new Parent1();
Parent1* p2 = new Parent1();
Parent1* p3 = new Child();
printf("sizeof Parent1: %d, sizeof Child: %d\n",
  sizeof(Parent1), sizeof(Child));
printf("val on p1: %lld\n", *(int64_t*)p1);
printf("val on p2: %lld\n", *(int64_t*)p2);
printf("val on p3: %lld\n", *(int64_t*)p3);

C++ 多態(tài)與多重繼承

有一個(gè)非常有意思的問題：C++ 發(fā)生多重繼承時(shí)，如何支持多態(tài)。剛剛提到，多態(tài)的原理是編譯器將成員函數(shù)調(diào)用編譯為「引用虛函數(shù)表中第 N 個(gè)函數(shù)」，虛函數(shù)表在對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的位置和要調(diào)用虛函數(shù)列表中的第幾個(gè)函數(shù)在編譯時(shí)都是需要確定的。多重繼承對(duì)象如果只有一個(gè)虛函數(shù)列表，那不同父類的虛函數(shù)列表中的位置就要發(fā)生沖突。如果有多個(gè)虛函數(shù)列表，編譯時(shí)就難以確定虛函數(shù)列表指針在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的位置。C++ 采取了非常精妙的做法：將所有父類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（包括虛指針列表）在該對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上依次排列，該對(duì)象的指針正常指向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)起始位置。當(dāng)指針發(fā)生類型轉(zhuǎn)換時(shí)，C++ 編譯器會(huì)對(duì)指針的值盡可能的進(jìn)行調(diào)整，使其指向該指針類型應(yīng)該對(duì)應(yīng)的位置。指針的值在這個(gè)過程中發(fā)生了變化。

比如，Child 類繼承了 Parent1, Parent2 兩個(gè)類，則在 Child 指針轉(zhuǎn)換為 Parent1 指針時(shí)，不對(duì)指針的值進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)?Parent1 是 Child 的第一個(gè)父類。但將 Child 轉(zhuǎn)換為 Parent2 時(shí)，需要將指針指增加 Parent1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的值，使指針指向?qū)?yīng) Parent2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開始位置。在本例子中，Parent1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只有虛函數(shù)列表指針，在 64 位機(jī)器上長(zhǎng)度為 8. 因此，在 Child 指針轉(zhuǎn)換為 Parent2 指針時(shí)，其值增加了 8.

class Parent1 {
  public:
  virtual void sayHello() { printf("Hello from parent1!\n"); }
};

class Parent2 {
  public:
  virtual void sayHi() { printf("Hi from Parent2!\n"); }
};

class Child : public Parent1, public Parent2 {
  public:
  virtual void sayHello() { printf("Hello from child!\n"); }
  virtual void sayHi() { printf("Hi from child!\n"); }
};

int main() {
  Child *p = new Child();
  printf("size of Child: %d", sizeof(Child));
  printf("pointer val as Child*: %lld\n", int64_t(p));
  printf("pointer val as Parent1*: %lld\n", int64_t((Parent1*)p));
  printf("pointer val as Parent2*: %lld\n", int64_t((Parent2*)p));
}

運(yùn)行這段代碼，會(huì)發(fā)現(xiàn) Child 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大小增長(zhǎng)到 16，也即兩個(gè)指針。并且指針的值在后兩次類型轉(zhuǎn)換時(shí)是不同的，在 64 位機(jī)器上相差 8 個(gè)字節(jié)，也即 Parent1 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大小。另外如果將 p 轉(zhuǎn)換成 Void 指針再轉(zhuǎn)換為 Parent 指針，此時(shí)編譯器就不能正確推斷這個(gè)偏移量，此時(shí)就會(huì)發(fā)生未定義行為。

這個(gè)特性其實(shí)說(shuō)明了一個(gè)非常有意思的事實(shí)：C++ 編譯器在編譯時(shí)能夠推斷指針的偏移量，那么編譯器也應(yīng)該可以推斷該指針指向?qū)ο蟮恼鎸?shí)類型。那么，既然可以編譯時(shí)推斷對(duì)象真實(shí)類型，那要虛函數(shù)表又有何用？直接推斷正確的函數(shù)調(diào)用不就可以了嗎？問題在于，如果真的在編譯時(shí)推斷多態(tài)函數(shù)調(diào)用，就意味著要為不同類型的對(duì)象生成不一樣的二進(jìn)制代碼。同一行代碼，根據(jù)指針值的不同，產(chǎn)生的函數(shù)調(diào)用不同。這樣一來(lái)也意味第三方庫(kù)需要提供源代碼，來(lái)進(jìn)行相關(guān)的推斷，類似于模板庫(kù)。這都是不可接受的，因此虛函數(shù)列表仍然有必要。借助虛函數(shù)列表，使用指針的代碼能夠生成一致的機(jī)器碼。
從另一個(gè)角度理解，編譯器在編譯一個(gè)完整的 App 時(shí)確實(shí)能夠推斷所有變量的真實(shí)類型，但這需要聯(lián)系過多上下文。編譯一段代碼卻需要這段代碼輸入?yún)?shù)的除類型之外的上下文信息，并根據(jù)上下文信息生成不同的二進(jìn)制文件，這是不可接受的。

Java 多態(tài)比較

由于 Java 的多態(tài)機(jī)制比 C++ 簡(jiǎn)單，理論上可以使用 C++ 的機(jī)制實(shí)現(xiàn) Java 多態(tài)。但 C++ 跟 Java 有一點(diǎn)決定性的不同：C++ 要求父類成員方法必須有 Virtual 關(guān)鍵字修飾時(shí)才能被重寫。這就意味著編譯器在編譯父類時(shí)就能確認(rèn)那些函數(shù)可能被重寫，于是可以對(duì)不可能重寫的函數(shù)直接在編譯時(shí)決定調(diào)用的具體函數(shù)，而對(duì)可能重寫的函數(shù)使用虛指針表處理。而 Java 的方法默認(rèn)都是可以重寫的，因此可以認(rèn)為 Java 方法調(diào)用都需要經(jīng)過查詢虛函數(shù)列表的過程，會(huì)比 C++ 不重寫函數(shù)多一點(diǎn)開銷。

Java 不支持多重繼承，但 Java 支持接口 Interface, 接口跟多重繼承有相似之處，不能簡(jiǎn)單的使用一個(gè)虛函數(shù)表查找。類需要為其實(shí)現(xiàn)的每個(gè) Interface 生成一個(gè)虛函數(shù)列表，跟 C++ 的情況類似。OpenJDK 文檔指出，在類定義中找到 Interface 的虛函數(shù)列表的辦法是很粗暴的：在類實(shí)現(xiàn)的所有 Interface 列表中遍歷查找。文檔中指出，真正的多重繼承是罕見的，通常可以歸結(jié)為單繼承。對(duì)此遍歷過程可能有各種優(yōu)化，筆者沒有深入了解。

思考 Java 和 C++ 的一點(diǎn)不同：C++ 沒有運(yùn)行時(shí)類型，由編譯器在編譯時(shí)盡力保證指針指向的位置有對(duì)象正確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。將子類指針賦值給父類指針變量時(shí)，編譯器盡力對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，但如果發(fā)生了 Void 指針賦值等，則編譯器無(wú)法保證指針指向的位置有正確的對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這一步只要語(yǔ)法上沒有錯(cuò)誤，就不會(huì)立即報(bào)錯(cuò)，編譯器也無(wú)法確認(rèn)是否會(huì)發(fā)生問題，一定要等到該指針實(shí)際進(jìn)行解引用等發(fā)生異常才會(huì)報(bào)錯(cuò)。Java 有運(yùn)行時(shí)類型，在將對(duì)象賦值給不同的類型的變量時(shí)，會(huì)在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行類型檢查，如果沒有正確的類型繼承關(guān)系，會(huì)在賦值時(shí)報(bào)錯(cuò)。

另外，對(duì)比 Java 的 Interface 和 C++ 的多重繼承，會(huì)發(fā)現(xiàn) Interface 的運(yùn)行時(shí)時(shí)間開銷要比 C++ 多重繼承大得多。但是 C++ 多重繼承需要為每個(gè)父類附加一個(gè)指針，并且編譯器在編譯時(shí)需要完成更多的工作。Java 相對(duì)于 C++ 是更加「強(qiáng)類型」的語(yǔ)言。

到此這篇關(guān)于C++中的多態(tài)與多重繼承實(shí)現(xiàn)與Java的區(qū)別的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ 多態(tài)與多重繼承內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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