C++中的多态问题—理解虚函数表及多态实现原理
作者：安河桥畔
注：编译环境为VS 2022，指针大小为4字节
一、多态的概念
概念
多态，指完成某个行为，不同的对象去完成时会产生出不同的状态。如：定一个一Animal类，类中包含动物的叫声这种方法，分别定义Dog和Cat类继承自动物类，那么Dog和Cat类中也会包含叫声这种方法，但是他们具体实现是不同的，因为每种动物的声音都不相同，这便是一种多态。
多态的分类
- 静态多态，也称为静态绑定或者早绑定，是指函数在编译期间就已经确定了函数的行为。函数重载、函数模板等都属于静态多态。
- 动态多态，即动态绑定或者晚绑定，指程序在运行时才可以确定函数的行为。本文主要分析的是动态多态。
构成条件
- 在继承体系下，父类中包含虚函数
- 子类中对父类的虚函数进行重写
- 通过父类的指针或者引用调用虚函数
多态的体现：不同的类对象调用同一函数，会产生不同的行为。
二、虚函数的重写
重写的定义
虚函数：virtual关键字修饰的函数
子类中有一个跟父类完全相同的虚函数，即返回值类型、函数名、形参列表都完全相同，则可以说子类重写了父类的虚函数。
Student类中重写了BuyTicket方法：
注意：只要父类中函数用virtual修饰即可，子类可以不加，且虚函数的重写与权限无关。
重写的特殊情况
协变——返回值类型不同
父类的虚函数返回父类对象的指针或者引用，子类虚函数返回子类对象的指针或者引用。
析构函数重写——父类与子类析构函数名字不同
如果父类的析构函数为虚函数，子类的析构函数只要定义了，都能与父类的析构函数构成重写。可以理解为编译器对析构函数的名字做了特殊处理，编译后析构函数的名字统一处理成destructor。
override和final关键字
这两个关键字的主要作用都是帮助用户检测是否构成重写。
final：修饰虚函数，表示虚函数不可被重写；另外final也可以修饰类，表示该类不能被继承
override：修饰虚函数，检查子类虚函数是否重写了父类的虚函数，如果没有构成重写则会报错
区分重写、重载、重定义
抽象类的概念
在虚函数的后面写上=0，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也称接口类），抽象类不能实例化对象。抽象类被集成以后如果没有对虚函数进行重写，则继承的类也是抽象类。
一般情况下，抽象类必须被继承，且必须对虚函数进行重写，否则定义为抽象类则没有实际意义。
Shape类：
class Shape
{
public:
// 纯虚函数
virtual double GetArea() = 0;
virtual double GetCircumference() = 0;
};
三、多态的实现原理
父类对象模型
给出一个Base类，一个Derived类继承Base类
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Base::Fun1c()" << endl;
}
virtual void Func2()
{
cout << "Base::Func2()" << endl;
}
virtual void Func3()
{
cout << "Base::Func3()" << endl;
}
public:
int _a;
};
class Derived:public Base
{
public:
int _b;
};
父类对象模型：
总结：
- 类中定义了虚函数以后，定义对象时，编译器会为对象创建一张虚表，并将一个指向这张虚表的指针保存在对象的前四个字节，无论定义几个虚函数，对象都只比多四个字节大小。这个指针称为函数虚表指针。
- 虚表地址是在构造对象时进行填充的，构造函数如果显式实现，编译器会对用户实现的函数进行修改，增加给对象前四个字节存放虚表地址的语句。
- 虚表本质就是一个函数指针数组，按照声明顺序依次存放虚函数的地址
补充：生成默认构造方法的场景
在学习类与对象时我们知道构造函数是是类的默认成员函数，如果用户没有显式定义，编译器会默认生成，但是实际上并不是在所有情况下编译器都会生成默认的构造函数，编译器只会在需要的时候生成构造函数。
四种生成默认构造方法的场景
B类中包含有A类的对象，B类没有显式定义构造函数，A类定义了无参或者全缺省的构造方法，则编译器会给B类生成默认的构造方法。
分析：因为A类有无参或者全缺省的构造方法，需要在B类中调用A类的构造方法对A类成员进行初始化，所以需要生成B类的构造方法，在其初始化列表中调用A类构造方法。
如果A类没有显式定义构造函数，则不会生成B类构造方法，默认赋随机值；如果A类定义的构造方法不是无参或者全缺省的，则需要在初始化列表中对A类对象初始化：
继承中，B继承A，A中定义了无参或者全缺省的构造方法，B未显式定义，则编译器会给B类生成默认的构造方法。将B中继承自A的部分初始化。
虚拟继承中，B类虚拟继承子A类，B类未显式定义构造方法，编译器会给B类生成默认的构造方法，目的是：给B类对象的前4个字节填充虚基表地址
类中包含虚函数，未显示定义构造方法，则编译器会自动生成构造方法，为对象的前4个字节填充虚表地址
子类对象模型
子类虚表构建规则
1.将父类虚表内容拷贝一份放到子类虚表中，注意父类和子类用的不是同一张虚表，仍以上面的Base和Derived类为例
可以看出，两个虚表指针的地址不同，但虚表中保存的虚函数的地址都相同。
2.如果子类中将父类的虚函数进行了重写，则用子类的虚函数地址替换虚函数表中相同偏移量的虚函数的地址。
3.子类中增加的虚函数按照其在类当中的声明次序放在虚表的最后
子类中增加了两个虚函数：
但是由于VS监视窗口中无法显式新增加的子类，而内存窗口只能显式虚函数的地址，无法确认是哪个函数，所以这里通过打印的方式进行验证。
通过上图中程序的方式打印出了子类对象中虚函数的分布情况，在这里VFP是一个函数指针类型，前面加typedef表示为函数指针类型，如果不加，则是函数指针变量。
所以是用VFP*接收指向第一个虚函数指针的指针，p与*p的类型：
所以最终的结论是：子类新增的虚函数按照其在类中的声明次序放在虚函数表的最后。
子类对象的构造过程
构造子类对象时，在初始化列表中先调用父类的构造函数，此时对象的前4个字节保存的虚表指针指向父类的虚表，之后构造子类自己的虚表，虚表再指针指向子类的虚表。
总结
- 虚表的本质是函数指针数组，在编译时生成
- 虚函数的重写也叫覆盖，指的是虚表中虚函数的覆盖，重写是语法层的叫法，覆盖是原理层的叫法
- 对象中保存的是虚表指针，虚表中保存的是虚函数指针，虚函数和普通函数一样保存在代码段，在VS中虚表也保存在代码区
- 同一个类的对象共用同一张虚表，父类和子类各自拥有各自的虚表。
多态的调用原理
父类对象，函数调用时的汇编代码：
普通函数调用时直接传递函数的地址，这个地址在编译期间就确定了，虚函数则要经过虚表指针寻址等步骤。从上面的汇编代码也可以看出动态多态的晚绑定的特点，在编译期间普通函数的调用已经确定了要调用的具体函数，虚函数则无法确定，只有等程序运行起来，形参b是具体哪个对象确定了以后，才能确定要调用的函数的地址。
上面是传递父类对象时的调用情况，子类对象调用时的汇编代码与父类对象相同，区别就是子类对象有自己的虚表，最终调用的是子类需表中的函数。
总结多态的原理：
创建对象时，编译器会给包含虚函数的类对象创建一张虚表，并将虚表地址填充在对象的前4个字节，子类对象会拷贝父类对象的虚表，然后再对自己重写的虚函数进行替换，并在虚表中添加子类新增的虚函数；函数调用时，编译器会先从对象的前4个字节获取该对象虚表的地址，然后在虚表中获取虚函数地址进行函数调用；由于每个类对象都有属于该类的一张虚表，且虚函数一般都进行了重写，即函数名与父类相同，但函数执行的内容不同，最终产生的结果就是，不同类的对象调用同一函数产生不同的结果，由此形成了多态。
多继承的虚函数表
给出两个父类Base1和Base2，Derived子类继承自两个父类
通多监视窗口查看子类对象的模型：
多态中多继承的子类对象模型与多继承的模型原理相同，但是VS的监视窗口无法查看子类新增的虚函数在需表中的位置，按照之前但继承中打印虚表中函数的原理进行打印：
最终得到的结果：
可以看出，子类中增加的虚函数保存在上面的虚表中。
多继承子类对象模型及对象虚表：
四、继承与多态中的常见问题
1.析构函数可以设置为虚函数吗？
可以，在继承体系中，最好将父类的析构函数设置为虚函数；如果子类中涉及到资源管理，则必须将父类的析构函数设置为虚函数，这样父类和子类中的析构函数便会构成重写（重写的特殊情况），形成多态，通过父类指针指向子类对象时，delete父类对象的指针也会调用子类的析构函数。
子类中涉及资源管理，调用父类析构函数析构子类对象，则会有内存泄漏，如图：
2.构造函数可以设置为虚函数吗？
不能，虚函数是放在虚表中的，虚表指针是在构造方法的初始化列表中进行填充的，通过虚表指针才能找到虚函数，但是不调用构造方法就没有虚表指针，二者矛盾。即如果构造方法是虚函数，那么调用构造方法就要通过虚表指针，但是虚表指针是要通过调用构造方法才能填充的😃。拷贝构造与构造函数原理相同。
3.赋值运算符重载函数可以设置为虚函数吗？
可以，但是没有意义，因为赋值运算符重载函数参数和返回值都是本类类型对象的引用，设置程序函数无法进行重写，无法构成多态。
4.静态函数可以设置为虚函数吗 ？
虚函数必须在创建对象后，通过对象的前4个字节的虚表指针调用。而静态成员函数可以通过 类名：：成员函数 的方式进行调用，不用通过象，这样就无法找到虚表，也无法访问虚函数。
5.内联函数可以是虚函数吗？
可以设置，但是没有意义，因为虚函数关键字virtual和inline是矛盾的，inline属性会被忽略，函数不会展开，而是放到虚函数表中。
6.友元函数可以是虚函数吗？
不可以，因为virtual只能修饰类的成员函数。
7.为什么多态必须通过指针或者引用实现？
因为当我们用一个父类指针或者引用指向子类对象时，会发生内存切割，用子类中属于父类的部分给父类赋值：
Animal& animal1 = dog; Animal* animal2 = new Dog();
而下面的语句则不会产生内存切割：
Ainmal animal3 = dog;
为什么会这样呢？
“一个pointer或一个reference之所以支持多态，是因为它们并不引发内存任何“与类型有关的内存委托操作； 会受到改变的。只有它们所指向内存的大小和解释方式 而已”。 ——《深度探索C++对象模型》
总结
以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。