C++多态的实现

浏览数：20 / 时间：2015年06月08日

C++的魔力

在C++中，通过继承，子类可以获得父类的成员，通过多态，C++可以实现在运行期根据对象的实际类型调用正确的虚函数，C++还有C语言不能做到的重载行为…C++的这种魔力是怎么实现的呢？
实际上，C++是使用C语言作为代码生成语言的，就好像当写完一个C++程序时，C++预处理器先将C++代码转化为C语言代码，然后再由C语言编译器生成可执行文件一样。当使用继承时，子类获得父类的成员并不是C++具有什么神奇魔力，而是编译器把父类中那些可以被继承的成员复制——把代码拷贝一份，放到子类声明中——到了子类中，当通过对象调用成员函数时，这个调用操作会被转化为非成员函数，并添加指向调用该函数的对象的指针作为额外参数，当使用重载函数时，重载函数名会被根据参数数目、类型、常量性、static与否几个指标修改为独一无二的名称，定义一个对象，预处理器会把调用相应类函数的构造函数写到相应的位置，对象离开作用域时，析构函数也会被添加到正确的位置，这造成了构造函数与析构函数被自动调用一样（是自动调用，只是实际上这些动作是由编译器做的，并不是C++语言就具有这种神奇能力）……最后C++程序被改写成了一个C语言程序，只是我们看不到这个C语言程序而已。

C++多态的正确使用形式

C++中的多态是指通过指向derived class object之base class指针或引用进行调用，以达到在运行期根据base class指针所指对象的实际子类型做出不同的操作。两个重点，第一是代码表面看起来是操作基类，运行时的操作由指针的所指对象的实际类型决定，如果是用derived class指针指向base class object就不是多态的正确用法；第二是指针或引用，不能使base class object “指向”derived class object，这样做不但达不到多态的效果，还可能会因为对象切割而得到错误。多态为什么必须使用base class指针指向derived class object，为什么必须使用指针或引用呢？先来解答第二个问题。

为什么是指针或引用

这是因为指针或引用是一种存储内存地址的数据类型，为了存储指针或引用，计算机内存中必须有一块区域提供给存放指针或引用，通常这块区域的大小是4byte（32位机上），这也就是“任何指针占用的空间一样”的意思，在这个4byte空间里放置了一个值，这个值指向了内存中的另一个位置，当计算机要访问一个指针指向的对象的时候，会根据指针变量里存储的值跳转到这个位置，然后根据指针的类型，解释这个位置后的一定空间内数据的意思。而每定义一个对象的时候，只能得到被定义的对象本身的地址。因此，如果使用base class object是不能“指向”derived class object的，object只能指向自身（变量名会被翻译为变量存储的地址，计算机就是根据这个地址访问变量的）。而使用指针或引用呢，根据指针或引用变量的值，就可以找到指向的对象，如果只是为了找到这个对象而不做任何其他操作，那么指向的对象是任何类型都无所谓，但是如果要读取对象的实际数据，就需要知道怎么解释这个位置上的数据了。因此使用指向derived class object的base class指针可以找到derived class object。但是为了调用derived class object中表现多态的函数，就需要另外一项设施了。是的，virtual table，就是它。

为什么是父类指针指向子类对象

virtual table是存放在object外的一张表，表里面放置了指向虚函数的指针vptr，嗯…实际实现中还在表的第一行存放了一个指向关于类定义本身一些信息的指针，typeid函数就是根据这个指针运作的。而在对象里只存储了指向这张表的指针，如果在每个对象中都放置一张同样的表岂不是很浪费空间？为了进一步节约空间，在不需要virtual table的对象里就不放置vptr，怎么确定哪些类需要？很简单，声明了virtual函数的那个类和他的子类都需要（基类有一张自己的表，子类也有一张自己的表，两个类里的vptr不会指向同一张表）！有了virtual table后，里面的函数指针怎么放置呢，六个法则：1)表头放置指向type_info的指针；2)第二项放置指向virtual析构函数的指针；3)其他虚函数按声明的顺序存放在接下来的表项里；4)子类中与父类中相同的虚函数（重载版本也要对应，这里说的相同不仅仅是函数名相同）所在的表项位置索引是一样的；5)子类改写了父类的虚函数，那么就放置子类改写后的函数指针，如果没有改写，就把父类中这个虚函数的指针拷贝过来，放在相应的位置上；6)子类新添加的虚函数按在子类中的添加顺序放在接下来的位置，这使得子类和父类的虚函数表不一样大，如果子类没有添加新的虚函数，那么子类与父类的虚函数表是一样大的。
virtual table已经准备就绪，多态就能展现了，将一个base class指针指向某个对象，这个对象可能是一个base class object，可能是derived class A object，也可能是一个derived class B object，这些都无所谓，只需要从这个对象占据的空间里，找到vptr，再根据函数名找到它的索引号，由索引号就能找到想要调用的函数所在的地址，于是多态得以实现。这个查找过程是由编译器执行的，编译器知道每个类中虚函数的索引号，当写下Base* pBase = new SomeClass，pBase->SomeVirtualFunc()，后一语句会在编译器内部转化为pBase->vptr【index】()。这样看来，程序并不是真正的运行期多态，需要的行为还是在编译期确定下来的，只是原来需要手工做的事情交由C++预处理器来做了。这就解释了为什么要为展现多态的基类添加一个virtual destructor，如果不是的话，虚析构函数就不会出现在virtual table中，当调用delete删除一个base class指针时，总是调用base class的析构函数，不会调用子类的析构函数，这就可能造成内存泄露。
以上只是简单继承中多态的展现，当使用多重继承时，子类如果从n个基类中继承，那么就会有n张virtual tables，每个基类导致子类添加一张virtual table，当使用base class A指针指向子类时，就会使用与base class A相关的那张virtual table，为了做到这一点，预处理器有需要做出更多的工作，如初始化或删除base class指针时，都要做出必要的指针调整步骤，以确保正确。如果使用的是虚拟继承，那么情况就更复杂了，这个我还没弄懂。
如果是用derived class指针指向base class object的话，那么就总是使用base class中的vptr，那么行为就总是属于base class的。一般而言，总是子类表现出更特殊的行为，也是子类们拥有更多的表现形式，而这正是多态的意思，如果以derived class指针指向base class object，那么就是把多态丢弃了。另一个问题也得到了解释，使用继承所要承受的“额外”开销：1)vptr们占用的空间；2)编译期更多的时间。但是这种额外并不绝对，想想为了表现多态自己手工打造而花费的空间和时间吧。