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C++多态性:虚函数的调用原理
多态性给我们带来了好处:多态使得我们可以通过基类的引用或指针来指明一个对象(包含其派生类的对象),当调用函数时可以自动判断调用的是哪个对象的函数。
一个函数说明为虚函数,表明在继承的类中重载这个函数时,当调用这个函数时应当查看以确定调用哪个对象的这个函数。
普通函数的处理:一个特定的函数都会映射到特定的代码,无论时编译阶段还是连接阶段,编译器都能计算出这个函数的地址,调用即可。
虚函数的处理:被调用的函数不仅依据调用的特定函数,还依据调用的对象的种类。通常是由虚函数表(vtable)来实现的。
虚函数表的结构:它是一个函数指针表,每一个表项都指向一个函数。任何一个包含至少一个虚函数的类都会有这样一张表。需要注意的是vtable只包含虚函数的指针,没有函数体。实现上是一个函数指针的数组。虚函数表既有继承性又有多态性。每个派生类的vtable继承了它各个基类的vtable,如果基类vtable中包含某一项,则其派生类的vtable中也将包含同样的一项,但是两项的值可能不同。如果派生类重载(override)了该项对应的虚函数,则派生类vtable的该项指向重载后的虚函数,没有重载的话,则沿用基类的值。
每一个类只有唯一的一个vtable,不是每个对象都有一个vtable,恰恰是每个同一个类的对象都有一个指针,这个指针指向该类的vtable(当然,前提是这个类包含虚函数)。那么,每个对象只额外增加了一个指针的大小,一般说来是4字节。

在类对象的内存布局中,首先是该类的vtable指针,然后才是对象数据。

在通过对象指针调用一个虚函数时,编译器生成的代码将先获取对象类的vtable指针,然后调用vtable中对应的项。对于通过对象指针调用的情况,在编译期间无法确定指针指向的是基类对象还是派生类对象,或者是哪个派生类的对象(见代码中的函数f在编译期间是无法判断的)。但是在运行期间执行到调用语句时,这一点已经确定,编译后的调用代码能够根据具体对象获取正确的vtable,调用正确的虚函数,从而实现多态性。

给出实例代码:
class A {
public :
virtual void run (){......}
}
class B :public A{
public:
void run(){......}
}
int f (A *pA){
pA->run();
}
分析一下这里的思想所在,问题的实质是这样,对于发出虚函数调用的这个对象指针,在编译期间缺乏更多的信息,而在运行期间具备足够的信息,但那时已不再进行绑定了而是直接执行好了,怎么在二者之间作一个过渡呢?把绑定所需的信息用一种通用的数据结构记录下来,该数据结构可以同对象指针相联系,在编译时只需要使用这个数据结构进行抽象的绑定,而在运行期间将会得到真正的绑定。这个数据结构就是vtable也就是编译期间建立vtable表,执行期间查表执行。可以看到,实现用户所需的抽象和多态需要进行后绑定,而编译器又是通过抽象和多态而实现后绑定的。
下面是通过基类的指针来调用虚函数时,所发生的一切:
step 1:开始执行调用 pA->run();(这里能判断到底是哪个对象)
step 2:取得对象的vtable的指针
step 3:vtable那里获得函数入口的偏移量,即得到要调用的函数的指针
step 4:根据vtable的地址找到函数,并调用函数。
step 1step 4对于一般函数是一样的,虚函数只是多了step 2step 3
解惑:
1基类和派生类是共用一表,还是各有各的表(物理上)
答:基类和派生类是各有各的表,也就是说他们的物理地址是分开的,基类和派生类的虚表的唯一关联是:当派生类没有实现基类虚函数的重载时,派生类会直接把自己表的该函数地址值写为基类的该函数地址值.
posted on 2007-07-20 11:13 ElliottZC 阅读(4761) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: C++