详解C++中多态的底层原理

前言

要了解C++多态的底层原理需要我们对C指针有着深入的了解，这个在打印虚表的时候就可以见功底，理解了多态的本质我们才能记忆的更牢，使用起来更加得心应手。

1.虚函数表

(1)虚函数表指针

首先我们在基类Base中定义一个虚函数，然后观察Base类型对象b的大小：

class Base
{
public:
    virtual void Func1()
    {
        cout << "Func1" << endl;
    }
    virtual void Func2()
    {
        cout << "Func2" << endl;
    }
    void f()
    {
        cout << "f()" << endl;
    }
protected:
    int b = 1;
    char ch = 1;
};
int main()
{
    Base b;
    cout << sizeof(b);
    return 0;
}

我们发现，如果按照对齐数原则来计算b的大小时，得到的结果是8，而我们打印的结果是：

这说明带有虚函数的类所定义的对象中，除了成员变量之外还有其他的东西被加入进去了（成员函数默认不在对象内，在代码段）。

我们可以通过调试来观察b中的内容：

我们发现对象中多了一个__vfptr，即为虚函数表指针。简称为虚表指针。

(2)虚函数表

仍然看上图，我们发现虚函数表指针下方有两个地址，这两个地址分别对应的就是Base中两个虚函数的地址，构成了一个虚函数表。所以虚函数表本质是一个指针数组，数组中每一个元素是一个虚函数的地址。

VS2019封装更为严密，在底层的汇编代码中，虚函数表中的地址并不一定是虚函数的地址，可能存放的是跳转到虚函数的地址的指令的地址。这个在后面会加以演示。

因此当我们调用普通函数和虚函数时，它们的本质是不同的：

    Base* bb=nullptr;
    bb->f();
    bb->Func1();

其中bb调用f()的过程没有发生解引用操作，非虚函数在公共代码段中，直接对其进行调用即可。而bb调用Func1()的过程中，需要通过虚表指针来找到Func1()，而拿到虚表指针需要对bb进行解引用操作，而bb是空，因此程序会崩溃。

我们知道对象中只存储成员变量，成员函数存储在公共代码段中，其实虚函数也是一样存储在公共代码段，只不过寻找虚函数需要通过虚表来确定位置。普通函数直接就可以确定位置。

2.虚函数表的继承–重写(覆盖)的原理

还拿上一节中买票的例子举例，其中父类中有两个虚函数，子类重写了其中的一个，子类中还有自己的函数。

class Person
{
public:
    virtual void BuyTicket()
    {
        cout << "全价" << endl;
    }
    virtual void Func1()
    {
        cout << "Func1" << endl;
    }
protected:
    int _a;
};
class Student :public Person
{
public:
    virtual void BuyTicket()
    {
        cout << "半价" << endl;
    }
    virtual void Func2()
    {
        cout << "Func2" << endl;
    }
protected:
    int _b;
};
int main()
{
    Person a;
    Student b;
    return 0;
}

我们可以通过调试来观察一下他们的虚表和虚表指针。

显然父类对象__vfptr[0]中存放的是BuyTicket的地址，__vfptr[1]中存放的是Func1()的地址。子类对象中__vfptr[0]中存放的是继承并重写的BuyTicket的地址，__vfptr[1]中存放的是继承下来但没有进行重写的Func1()的地址。通过对比我们发现：对于没有进行重写的Func1()来说，子类中虚表中的地址和父类中的是一样的，可以说是直接拷贝下来的。而对于进行了重写的BuyTicket来说，子类中虚表的地址与父类中明显不一样，其实是在拷贝了父类的地址后又进行了覆盖的。因此重写从底层的角度来说又叫做覆盖。

同时我们又发现了一个问题，那就是子类对象的虚表中为什么没有写它自己的虚函数地址Func2()呢？

其实是写了的，只不过通过VS的监视窗口并不能看到，我们可以通过内存来进行观察：

3.观察虚表的方法

(1)内存观察

我们可以通过观察内存来观察虚函数表的情况，这里观察的是父类对象，会发现在虚函数指针的地址存放的是父类对象中两个虚函数的地址。

我们也可以观察一下子类对象：

与父类对象中存储的相同，唯一有区别的地方就是紫色的部分，存放的其实是子类虚函数Func2()的地址。这说明Func2()也在虚表中只不过在监视窗口没有看不到而已。

(2)打印虚表

虚表的地址

通过观察内存，对于单继承来说，我们只需要打印对象的首元素的地址即可找到虚表，并进行打印。

我们发现对象的前四个字节存储的就是虚表的地址。可以通过这一点来打印虚表。

我们关闭一下调试来重新写一下代码（关闭调试后再进行运行地址会发生变化，但是规律是不变的）

typedef void(*vfptr)();
void Printvfptr(vfptr* table)
{
    for (int i = 0; table[i] != nullptr; i++)
    {
        printf("%d:%p\n",i,table[i]);
    }
    cout << endl;
}
int main()
{
    Person a;
    Student b;
    Printvfptr((vfptr*)*(void**)&a);
    Printvfptr((vfptr*)*(void**)&b);
    return 0;
}

下面来解释一下如何打印的虚表，分为两部分，一部分是函数，一部分是传参：

函数

首先我们明确，虚函数指针是一个函数指针，因此为了简便我们可以将函数指针重命名为vfptr。

通过接收虚表指针，并依次打印指针数组中的内容（虚函数的地址）。

传参

拿父类对象a举例，我们要找到a的前四个字节的内容，即为虚表指针，然后再传入函数中。

首先使用(void**)对a的地址进行强制类型转换，这其中发生了切割。使用(void**)的原因在于，由于不知道是使用的32位还是64位系统，但我们可以通过指针的大小来判断。首先将&a转换成一个指针，再将其转换成一个指针类型，再进行解引用就得到了a的前4或者8个字节。但同时我们需要传递的是一个vfptr类型的函数指针，所以还需要进行(vfptr*)类型的强制转换。

有了前面的解释，我们就可以理解打印虚表的原理了，我们把这段代码运行一下：

发现分别打印出了a和b的虚函数表。

如果打印的虚函数数量不对，这是VS编译器的bug，我们可以重新生成解决方案，再重新运行代码。

(3)虚表的位置

我们还可以观察一下虚表的位置，在哪个区域：

使用其他区域的变量进行对比：

    Person per;
    Student std;
    int* p = (int*)malloc(4);
    printf("堆：%p\n", p);
    int a = 0;
    printf("栈：%p\n", &a);
    static int b = 1;
    printf("数据段：%p\n", &b);
    const char* c = "aaa";
    printf("常量区：%p\n", &c);
    printf("虚表：%p\n", *(void**)&std);

打印的结果是：

我们发现虚表的位置在数据段和常量区之间。大致属于数据段。

4.多态的底层过程

class Person
{
public:
    virtual void BuyTicket()
    {
        cout << "全价" << endl;
    }
    virtual void Func1()
    {
        cout << "Func1" << endl;
    }
protected:
    int _a;
};
class Student :public Person
{
public:
    virtual void BuyTicket()
    {
        cout << "半价" << endl;
    }
    virtual void Func2()
    {
        cout << "Func2" << endl;
    }
protected:
    int _b;
};
void F(Person& p)
{
    p.BuyTicket();
}
int main()
{
    Person per;
    Student std;
    F(per);
    F(std);
    return 0;
}

我们还使用这一段代码来举例，首先复习一下多态：使用父类的指针或者引用去接收子类或者父类的对象，使用该指针或者引用调用虚函数，调用的是父类或子类中不同的虚函数。

下面来分析原理：

父类对象原理：

首先用父类引用p来接收父类对象per，此时p中的虚表和per中的虚表一模一样，只需要访问__vfptr中的BuyTicket()的地址即可调用该函数。

子类对象的原理：

用p来接收子类对象std，发生切片处理，会将子类中的虚表内容拷贝到父类引用p中，然后再调用其中的__vfptr中的BuyTicket地址。此时的p不是新创建了一个父类对象，而是子类对象std切片后构成的，其中就将重写之后的BuyTicket()的地址也随之切入了p。可以把p看成原std的包含__vfptr的一部分。

总结：基类的指针或者引用，指向谁就去谁的虚函数表中找到对应位置的虚函数进行调用。

5.几个原理性问题

了解了多态原理之后，就可以分析出在上一节中出现的一些现象规律。

(1)虚表中函数是公用的吗？

虚表中的函数和类中的普通函数一样是放在代码段的，只是虚函数还需要将地址存一份到虚表，方便实现多态。这也就说明同一类型的不同对象的虚表指针是相同的，我们还可以通过调试观察：

    Person per;
    Person pper;

(2)为什么必须传入指针或引用而不能使用对象？

当我们使用父类对象去接收时，父类对象本身就具有一个虚表了，当子类对象传给父类对象的时候，其他内容会发生拷贝，但是虚表不会，C++这样处理的原因在于，如果虚表也会发生拷贝的话，那么该父类对象的虚表就存了子类对象的虚表，这是不合理的。

我们同样可以通过调试来进行观察：

void F(Person p)
{
    p.BuyTicket();
}
int main()
{
    Person per;
    Student std;
    F(std);
}

这是std中的虚表内容。

这是p中的虚表内容，而且在调试过程中，程序是进入父类中进行调用函数的。

(3)为什么私有虚函数也能实现多态?

这是因为编译器调用了父类的public接口，由于是父类的引用或者指针，因此编译器发现是public之后就不再进行检查了，只要在虚表中可以找到就能调用函数。

(4)VS中的虚表中存的是指令地址？

在VS2019中，为了封装严密，其实虚表中存入的是跳转指令，我们可以通过反汇编进行观察：

我们将虚表中的地址输入反汇编，看到的是这样的一条语句：

这是一条跳转指令，会跳转到BuyTicket()的实际地址处。

6.多继承中的虚表

谈到多继承就要谈到菱形虚拟继承，这是一个庞大而复杂的问题，需要更大的大佬来解释。

这里只介绍多继承中虚表的内容：

class Base1
{
public:
    virtual void Func1()
    {
        cout << "Func1" << endl;
    }
    virtual void Func2()
    {
        cout << "Func2" << endl;
    }
protected:
    int _a;
};
class Base2
{
public:
    virtual void Func3()
    {
        cout << "Func3" << endl;
    }
    virtual void Func4()
    {
        cout << "Func4" << endl;
    }
};
class Derive :public Base1, Base2
{
public:
    virtual void Func5()
    {
        cout << "Func5" << endl;
    }
};
int main()
{
    Derive a;
}

我们可以使用调试来观察a中的虚表内容：

通过调试我们可以看到a中有两个虚表指针分别存放的是Base1中虚函数的地址和Base2中虚函数的地址，那么a中特有的类Func5()存在哪个虚表呢？这需要通过内存进行观察：

我们发现它被存放在了第一个虚表指针指向的虚表中。

我们知道打印第一个虚表指针指向虚表的方法，那么第二个虚表指针的该怎样进行处理呢：

Printvfptr((vfptr*)*(void**)((char*)&a+sizeof(Base1));

注意需要先将&a转换成char*类型，这样对其加一，才代表加一个字节。