C++中多态本质实例分析

最新推荐文章于 2025-02-12 17:49:57 发布

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#c++ #function #c #binding #table

本文深入探讨了C++中多态的实现机制，详细解释了虚函数如何帮助实现多态，包括基类与派生类中的虚函数表(vtable)布局、内存分布情况以及动态绑定的过程。

C++中多态的实现原理

多态是面向对象的基本特征之一。而虚函数是实现多态的方法。那么virtual function到底如何实现多态的呢？

1 基类的内存分布情况
请看下面的sample

class A
{
void g(){.....}
};
则sizeof(A)=1；
如果改为如下：
class A
{
public:
    virtual void f()
    {
       ......
    }
    void g(){.....}
}

则sizeof(A)=4! 这是因为在类A中存在virtual function,为了实现多态，每个含有virtual function的类中都隐式包含着一个静态虚指针vfptr指向该类的静态虚表vtable, vtable中的表项指向类中的每个virtual function的入口地址
例如我们declare 一个A类型的object :
A c;
A d;
则编译后其内存分布如下：

从vfptr所指向的vtable可以看出，每个virtual function都占有一个entry,例如本例中的f函数。而g函数因为不是virtual类型，故不在vtable的表项之内。说明：vtab属于类成员静态pointer，而vfptr属于对象pointer
2 继承类的内存分布状况
假设代码如下：

 class B:public A
{
public :
    void f() //override virtual function
    {
        return ;
    }
};

则
A c;
A d;
B e;
编译后，其内存分布如下：

从中我们可以看出,B类型的对象e有一个vfptr指向vtable address：0x00400030 ,而A类型的对象c和d共同指向类的vtable address:0x00400050a

3 动态绑定过程的实现
    我们说多态是在程序进行动态绑定得以实现的，而不是编译时就确定对象的调用方法的静态绑定。
    其过程如下：
    程序运行到动态绑定时，通过基类的指针所指向的对象类型，通过vfptr找到其所指向的vtable，然后调用其相应的方法，即可实现多态。
例如：
A c;
B e;
A *pc=&e; //设置breakpoint，运行到此处
pc=&c;
此时内存中各指针状况如下：

可以看出，此时pc指向类B的虚表地址，从而调用对象e的方法。

继续运行，当运行至pc=&c时候，此时pc的vptr值为0x00420050,即指向类A的vtable地址，从而调用c的方法。
这就是动态绑定！(dynamic binding)或者叫做迟后联编（lazy compile)。

为了更加透析多态的原理，我们可以debug 程序在runtime时候的对象内存分布情况。

以下面这段简单的程序为例

 
     
   
// SimpleStack.cpp : Defines the entry point for the console application.
 //
 
 #include "stdafx.h"
 
 class Base
 {
 public:
     int m_data;
     static int m_staticvalue;
     Base(int data)
     {
         m_data=data;
     }
     virtual void DoWork()
     {
     }
 };
 
 class AnotherBase
 {
 public:
     virtual void AnotherWork()
     {}
     
 };
 
 class DerivedClass:public Base,public AnotherBase
 {
 public:
     DerivedClass(int t_data):Base(t_data)
     {}
 
     virtual    void  DoWork()
     {
     }
 
     virtual void AnotherWork()
     {
     }
 };
 
 int Base::m_staticvalue=1;
 
 int main(int argc, char* argv[])
 {
     
     DerivedClass b(1);
     b.DoWork();
 
     return 0;
 }
 
  
     
   

当程序运行后我们设置很简单的breakpoint: bp simplestack!derivedclass::dowork. 断点命中后的call stack如下：

0:000> kb
ChildEBP RetAddr Args to Child
0012ff20 0040102a 00daf6f2 00daf770 7ffd7000 SimpleStack!DerivedClass::DoWork
0012ff80 004012f9 00000001 00420e80 00420dc0 SimpleStack!main+0x2a
0012ffc0 7c817077 00daf6f2 00daf770 7ffd7000 SimpleStack!mainCRTStartup+0xe9
0012fff0 00000000 00401210 00000000 78746341 kernel32!BaseProcessStart+0x23

这时，我们可以看看DerivedClass对象的内存内分布情况：

0:000> dt SimpleStack!DerivedClass 0012ff74
   +0x000 __VFN_table : 0x0040c020 //指向虚表的指针1
   +0x004 m_data           : 1
   =0040d030 Base::m_staticvalue : 1 //（类成员）
   +0x008 __VFN_table : 0x0040c01c //指向虚表的指针2

可以看到，DerivedClass对象中包含两个指向虚表的指针，地址分别为0x0040c020 和0x0040c01c 。一个为指向override了BaseClass的方法的虚表，一个指向orverride了AnotherBase方法的虚表。

可以查看对应虚表中的方法：

0:000> dds 0x0040c01c
0040c01c 00401140 SimpleStack!DerivedClass::AnotherWork
0040c020 00401110 SimpleStack!DerivedClass::DoWork
0040c024 004010e0 SimpleStack!Base::DoWork
0040c028 004011a0 SimpleStack!AnotherBase::AnotherWork
......

通过以上分析，应该可以透析多态的本质了。