C++多态实现的机制

1 什么是多态?
多态性可以简单的概括为“1个接口,多种方法”,在程序运行的过程中才决定调用的机制程序实现上是这样,通过父类指针调用子类的函数,可以让父类指针有多种形态。
2 实现机制
举一个例子:
#include <iostream.h>
class animal
{
public:
void sleep()
{
cout<<"animal sleep"<<endl;
}
void breathe()
{
cout<<"animal breathe"<<endl;
}
};
class fish:public animal
{
public:
void breathe()
{
cout<<"fish bubble"<<endl;
}
};
void main()
{
fish fh;
animal *pAn=&fh;
pAn->breathe();
}
答案是输出:animal breathe
结果分析:
1从编译的角度
C++编译器在编译的时候,要确定每个对象调用的函数的地址,这称为早期绑定(early binding),当我们将fish类的对象fh的地址赋给pAn时,C++编译器进行了类型转换,此时C++编译器认为变量pAn保存的就是animal对象的地址。当在main()函数中执行pAn->breathe()时,调用的当然就是animal对象的breathe函数。
2 内存模型的角度
我们构造fish类的对象时,首先要调用animal类的构造函数去构造animal类的对象,然后才调用fish类的构造函数完成自身部分的构造,从而拼接出一个完整的fish对象。当我们将fish类的对象转换为animal类型时,该对象就被认为是原对象整个内存模型的上半部分,也就是图1-1中的“animal的对象所占内存”。那么当我们利用类型转换后的对象指针去调用它的方法时,当然也就是调用它所在的内存中的方法。因此,输出animal breathe,也就顺理成章了。

C++多态实现的机制

为了得到我们想要的结果,就要使用虚函数

前面输出的结果是因为编译器在编译的时候,就已经确定了对象调用的函数的地址,要解决这个问题就要使用迟绑定(late binding)技术。当编译器使用迟绑定时,就会在运行时再去确定对象的类型以及正确的调用函数。而要让编译器采用迟绑定,就要在基类中声明函数时使用virtual关键字(注意,这是必须的,很多学员就是因为没有使用虚函数而写出很多错误的例子),这样的函数我们称为虚函数。一旦某个函数在基类中声明为virtual,那么在所有的派生类中该函数都是virtual,而不需要再显式地声明为virtual。
 
下面我们将上面一段代码进行部分修改

virtual void breathe()
{
cout<<"animal breathe"<<endl;
}
运行结果:fish bubble
结果分析
编译器为每个类的对象提供一个虚表指针,这个指针指向对象所属类的虚表。在程序运行时,根据对象的类型去初始化vptr,从而让vptr正确的指向所属类的虚表,从而在调用虚函数时,就能够找到正确的函数。

由于pAn实际指向的对象类型是fish,因此vptr指向的fish类的vtable,当调用pAn->breathe()时,根据虚表中的函数地址找到的就是fish类的breathe()函数。

正是由于每个对象调用的虚函数都是通过虚表指针来索引的,也就决定了虚表指针的正确初始化是非常重要的。换句话说,在虚表指针没有正确初始化之前,我们不能够去调用虚函数。那么虚表指针在什么时候,或者说在什么地方初始化呢?
答案是在构造函数中进行虚表的创建和虚表指针的初始化。还记得构造函数的调用顺序吗,在构造子类对象时,要先调用父类的构造函数,此时编译器只“看到了”父类,并不知道后面是否后还有继承者,它初始化父类对象的虚表指针,该虚表指针指向父类的虚表。当执行子类的构造函数时,子类对象的虚表指针被初始化,指向自身的虚表。

当fish类的fh对象构造完毕后,其内部的虚表指针也就被初始化为指向fish类的虚表。在类型转换后,调用pAn->breathe(),由于pAn实际指向的是fish类的对象,该对象内部的虚表指针指向的是fish类的虚表,因此最终调用的是fish类的breathe()函数。

C++ Primer Plus 第6版 中文版 清晰有书签PDF+源代码

读C++ Primer 之构造函数陷阱

读C++ Primer 之智能指针

读C++ Primer 之句柄类

C语言梳理一下,分布在以下10个章节中:

Linux-C成长之路(一):Linux下C编程概要

Linux-C成长之路(二):基本数据类型

Linux-C成长之路(三):基本IO函数操作

Linux-C成长之路(四):运算符

Linux-C成长之路(五):控制流

Linux-C成长之路(六):函数要义

Linux-C成长之路(七):数组与指针

Linux-C成长之路(八):存储类,动态内存

Linux-C成长之路(九):复合数据类型

Linux-C成长之路(十):其他高级议题

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