c++多态实现的机制

什么是c++的多态？

多态的意思是，当有基类和派生类的时候，在基类的函数前加上virtual关键字，在派生类中重写该函数，运行时将会根据对象的动态类型来调用相应的函数。如果对象的动态类型是派生类，就调用派生类的函数；如果对象类型是基类，就调用基类的函数。

c++多态的实现：

实现依靠的是虚函数和动态绑定机制；

虚函数背后的原理

那么当我们将基类的一个函数声明为virtual时，在背后发生了什么呢？

#include <iostream.h>
class animal
{
public:
    void sleep()
    {
        cout<<"animal sleep"<<endl;
    }
    virtual void breathe()
    {
        cout<<"animal breathe"<<endl;
    }
};

class fish:public animal
{
public:
    void breathe()
    {
        cout<<"fish bubble"<<endl;
    }
};
void main()
{
    fish fh;
    animal *pAn=&fh; // 隐式类型转换
    pAn->breathe();
}

当我们将breathe()声明为virtual时，在背后发生了什么呢？
编译器在编译的时候，发现animal类中有虚函数，此时编译器会为每个包含虚函数的类创建一个虚表（即vtable），该表是一个一维数组，在这个数组中存放每个虚函数的地址。对于上面的程序，animal和fish类都包含了一个虚函数breathe()，因此编译器会为这两个类都建立一个虚表，（即使子类里面没有virtual函数，但是其父类里面有，所以子类中也有了）如下图所示:

屏幕快照 2018-02-25 下午8.52.20.png

 

那么如何定位虚表呢？

编译器另外还为每个类的对象提供了一个虚表指针（即vptr），这个指针指向了对象所属类的虚表。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。对于上面程序，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。
要注意：对于虚函数调用来说，每一个对象内部都有一个虚表指针，该虚表指针被初始化为本类的虚表。所以在程序中，不管你的对象类型如何转换，但该对象内部的虚表指针是固定的，所以呢，才能实现动态的对象函数调用，这就是C++多态性实现的原理。