C++ 多态实现机制
本篇從 C++ 初學(xué)者遇到的一個有趣的問題開始。
有趣的問題
考慮下面的 C++ 程序：
class A {void func(){} };class B:public A {void func(){} };int main(void) {cout << sizeof(A) << " " << sizeof(B) << endl;return 0; }輸出結(jié)果是：1 1
再考慮下面很相似的程序：
class A {virtual void funcA(){} };class B:public A {virtual void funcB(){} };int main(void) {cout << sizeof(A) << " " << sizeof(B) << endl;return 0; }輸出結(jié)果是：4 4
再來考慮下面的形似的程序：
class A {virtual void funcA(){} };class B:virtual public A {virtual void funcB(){} };int main(void) {cout << sizeof(A) << " " << sizeof(B) << endl;return 0; }輸出結(jié)果是：4 12
對于第一種情況，沒有出現(xiàn)虛函數(shù)，也無任何成員變量，因此是一個空類，空類理論上可以進行實例化，每個實例在內(nèi)存中都有獨一無二的地址來標(biāo)明，所以會占用 1B 的空間，無可厚非。
但第二種情況和第三種情況加入了虛函數(shù)（virtual function），而且在第三種情況當(dāng)中，引入了虛基類（virtual base class）的概念，所得到的結(jié)果大相徑庭，這是 C++ 引入了 virtual function 和 virtual base class，即多態(tài)，更形象的解釋是「以一個 public base class 的指針或者引用，尋址出一個 derived?class object」，但多態(tài)帶了一定空間上的開銷，在效率上也有折損。
其實, 多態(tài)機制可以歸結(jié)為下面三這句話:
- 一般而言, 我們無法知道指針 ptr 所指的對象的真正類型. 但經(jīng)由 ptr 總是可以存取到對象的 virtual table.
- 虛函數(shù) fn() 總是放在 virtual table 中的固定位置, 用一個固定的索引值就可以 fetch 到.
- 唯一一個執(zhí)行期需要知道的是 ptr 所指的對象.
下面是 C++ 多態(tài)機制實現(xiàn)詳解.
從最簡單的對象模塊開始
最為簡單的對象模型：
靜態(tài)/非靜態(tài) 成員函數(shù) 和 靜態(tài)/非靜態(tài) 成員變量 的地址都存儲在一個表當(dāng)中，通過表內(nèi)存儲的地址指向相應(yīng)的部分。這樣的設(shè)計簡易，便于理解，類的實例只需要維護這張表就好了，賠上的是空間和執(zhí)行效率：
空間上：沒必要為每一個實例都存儲靜態(tài)成員變量和成員函數(shù)
效率上：每次執(zhí)行實例的一個成員函數(shù)都要在表內(nèi)進行搜索
這是最初的假設(shè)，實際的實現(xiàn)肯定沒有那么簡單，下面是將變量和函數(shù)分割存儲的模型（表格驅(qū)動對象模型）：
簡易對象模型經(jīng)改良后可以的得到這種。sizeof(A) 的結(jié)果是 8。
為支撐 virtual function ，引入了現(xiàn)在的 C++ 對象模型：
非靜態(tài)成員變量同指向虛擬函數(shù)表的指針（vptr），和靜態(tài)成員變量/函數(shù)，非靜態(tài)成員函數(shù)分離存儲。類的每一個實例都存有 vptr 和 非靜態(tài)成員變量，他們獨立擁有這些數(shù)據(jù)，并不和其他的實例共享。這時候，回到第二種情況，class A 和 繼承自 A 的 class B 都擁有虛函數(shù)，因此都會有一個 vptr，因此 sizeof 運算得到的結(jié)果都為 4.然而，如果往里面添加一個非靜態(tài) int 型變量，那么相應(yīng)可以得到 8B 的大小；但往里面添加靜態(tài) int 型變量，大小卻沒有改變。
單一繼承
下面是單一繼承里經(jīng)常看到的一個程序：
class A { public:int a;void foo(){}virtual void funcA(){}virtual void func(){cout << "class A's func." << endl;} };classB : public A { public:int b;void foo(){}virtual void funcB(){}virtual void func(){cout << "class B's func." << endl;} };int main(void) {A *pa = newB;pa->func(); }輸出結(jié)果是：class B'sfunc.
多態(tài)就是多種狀態(tài)，一個事物可能有多種表現(xiàn)形式，譬如動物，有十二生肖甚至更多的表現(xiàn)形式。當(dāng)基類里實現(xiàn)了某個虛函數(shù)，但派生類沒有實現(xiàn)，那么類 B 的實例里的虛函數(shù)表中放置的就是 &A::func。此外，派生類也實現(xiàn)了虛函數(shù)，那么類 B 實例里的虛函數(shù)表中放置的就是 B::func。A *pa = new B; 因為 B 實現(xiàn)了 func，那么它被放入 A 實例的虛擬函數(shù)表中，從而代替 A 實例本身的虛擬函數(shù)。pa->func(); 調(diào)用的結(jié)果就不稀奇了，這是虛函數(shù)機制帶來的。
class A 和 class B 的內(nèi)存布局和 vptr 可能是下面的樣子：
倘若 虛函數(shù) 以外的就沒有「多態(tài)」效果了，除非進行強制類型轉(zhuǎn)換：
- pa->a;????????? //???? 成功，因為 pa 的類型就是 A
- pa->b;????????? //???? 失敗，因為 B::b
- pa->funcB();? //???? 失敗，因為B::funcB() 不是虛函數(shù)
- pa->funcA();? //???? 成功，因為A::funcA()
總結(jié)一下：
- 當(dāng)引入虛函數(shù)的時候，會添加 vptr 和 其指向的一個虛擬函數(shù)表從而增加額外的空間，這些信息在編譯期間就已經(jīng)確定，而且在執(zhí)行期不會插足修改任何內(nèi)容。
- 在類的構(gòu)造和析構(gòu)函數(shù)當(dāng)中添加對應(yīng)的代碼，從而能夠為 vptr 設(shè)定初值或者調(diào)整 vptr，這些動作由編譯器完成，class 會產(chǎn)生膨脹。
- 當(dāng)出現(xiàn)繼承關(guān)系時，虛擬函數(shù)表可能需要改寫，即當(dāng)用基類的指針指向一個派生類的實體地址，然后通過這個指針來調(diào)用虛函數(shù)。這里要分兩種情況，當(dāng)派生類已經(jīng)改寫同名虛函數(shù)時，那么此時調(diào)用的結(jié)果是派生類的實現(xiàn)；而如果派生類沒有實現(xiàn)，那么調(diào)用依然是基類的虛函數(shù)實現(xiàn)，而且僅僅在多態(tài)僅僅在虛函數(shù)上表現(xiàn)。
- 多態(tài)僅僅在虛函數(shù)上表現(xiàn)，意即倘若同樣用基類的指針指向一個派生類的實體地址，那么這個指針將不能訪問和調(diào)用派生類的成員變量和成員函數(shù)。
- 所謂執(zhí)行期確定的東西，就是基類指針?biāo)赶虻膶嶓w地址是什么類型了，這是唯一執(zhí)行期確定的。以上是單一繼承的情況，在多重繼承的情況會更為復(fù)雜。
多重繼承
下面是少有看到的程序代碼：
class A { public:virtual ~A(){cout << "A destruction" << endl;}int a;void fooA(){}virtual void func(){cout << "A func." << endl;};virtual void funcA(){cout << "funcA." << endl;} };class B { public:virtual ~B(){cout << "B destruction" << endl;}int b;void fooB(){}virtual void func(){cout << "B func." << endl;};virtual void funcB(){cout << "funcB." << endl;} };class C : public A,public B { public:virtual ~C(){cout << "C destruction" << endl;}int c;void fooC(){}virtual void func(){cout << "C func." << endl;};virtual void funcC(){cout << "funcC." << endl;} };int main(void) { return 0; }當(dāng)用基類的指針指向一個派生類的實體地址，基類有兩種情況，一種是 class A 和 class B，如果是 A，問題容易解決，幾乎和上面單一繼承情況類似；但倘若是 B，要做地址上的轉(zhuǎn)換，情況會比前者復(fù)雜。先展現(xiàn)class A，B，C 的內(nèi)存布局和 vptr：
?
多重繼承中，會有保留兩個虛擬函數(shù)表，一個是與 A 共享的，一個是與 B 相關(guān)的，他們都在原有的基礎(chǔ)上進行了修改：
對于 A 的虛擬函數(shù)表：
- 覆蓋派生類實現(xiàn)的同名虛函數(shù)，并用派生類實現(xiàn)的析構(gòu)函數(shù)覆蓋原有虛函數(shù)
- 添加了派生類獨有的虛函數(shù)
- 添加了右端父類即 B 的獨有虛函數(shù)，需跳轉(zhuǎn)
對于 B 的虛擬函數(shù)表：
- 覆蓋派生類實現(xiàn)的同名虛函數(shù)，并用派生類實現(xiàn)的析構(gòu)函數(shù)覆蓋原有虛函數(shù)，但需跳轉(zhuǎn)
輸出結(jié)果是：
C func.
C func.
funcC.
C destruction
B destruction
A destruction
C destruction
B destruction
A destruction
C destruction
B destruction
A destruction
7 行和 8 行的行為有很大的區(qū)別，7 行的調(diào)用和上面的單一繼承的情況類似，不贅述。8 行的 pb->func(); 中，pb 所指向的是上圖第 9 行的位置，編譯器已在內(nèi)部做了轉(zhuǎn)換，也就是 pa 和 pb 所指的位置不一樣，pa 指向的是上圖第 3 行的位置。接著需要注意的是，pb->func(); 調(diào)用時，在虛擬函數(shù)表中找到的地址需要再進行一次跳轉(zhuǎn)，目標(biāo)是 A 的虛擬函數(shù)表中的 &C::func()，然后才真正執(zhí)行此函數(shù)。所以，上面的情況作了指針的調(diào)整。
那什么時候會出現(xiàn)跳，常見的有兩種情況：
所以 delete pa; 和 delete pa; 的操作是不一樣的，pb->funcB(); 和 pc->funcB(); 也不一樣。
C++ 為實現(xiàn)多態(tài)引入虛函數(shù)機制，帶來了空間和執(zhí)行上的折損。
單一/多重繼承的構(gòu)造和析構(gòu)
單一繼承中，構(gòu)造函數(shù)調(diào)用順序是從上到下（單一繼承），從左到右（多重繼承），析構(gòu)函數(shù)調(diào)用順序反過來。在上一段程序中，
都自動調(diào)用了基類和派生類的析構(gòu)函數(shù)，其中只有 delete pc; 涉及了虛擬函數(shù)機制。《Effective C++》中07條款中有這樣一句話：當(dāng)derived class 對象經(jīng)由一個 base 指針被刪除，而該對象帶有一個 non-virtual 析構(gòu)函數(shù)，其結(jié)果未有定義---實際執(zhí)行時通常發(fā)生的是對象的 derived 成分未被銷毀。
特地，寫了下面的程序：
class A { public:~A(){cout << "A destruction" << endl;}int a; };class B { public:~B(){cout << "B destruction" << endl;} };class C : public A,public B { public:~C(){cout << "C destruction" << endl;} };int main(void) {A *pa = new C;B *pb = new C;C *pc = new C;delete pa; // 沒有問題delete pb; // 出錯delete pc; // 沒有問題 }所說的「未定義」就在 delete pa; 和 delete pb; 體現(xiàn)出來。
強烈建議，在設(shè)計繼承關(guān)系的時候，為每一個基類實現(xiàn) virtual 析構(gòu)函數(shù)。
回到開始的問題：
另外，虛擬繼承在應(yīng)用比較少應(yīng)用，一個例子就是：
class ios {...};class istream : public virtual ios {...};calss ostream : public virtual ios {...};class iostream : public istream,public ostream {...};這里 istream，ostream，iostream 共享同一份 ios。要和下面的情況區(qū)分開來：
class ios {...};class istream : public ios {...};calss ostream : public ios {...};class iostream : public istream,public ostream {...};這里實際有兩份 ios ！全文完。daoluan.net
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的C++ 多态实现机制的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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