【C++】多态 ⑦ ( 多态机制实现原理 | 虚函数表概念 | 虚函数表工作机制 | vptr 指针 | 虚函数表运行时机制

文章目录

一、多态原理

1、多态成立的三个条件
2、虚函数表概念
3、虚函数表工作机制
4、vptr 指针
5、虚函数表运行时机制
6、虚函数与动态联编

二、代码示例 - 虚函数表

1、代码实例分析 - 虚函数表创建与使用
2、完整代码示例

一、多态原理

1、多态成立的三个条件

" 多态 " 实现需要满足以下三个条件 :

首先 , 要有继承关系 ;
然后 , 父类中的函数需要有 virtual 关键字修饰 , 子类重写该 " 虚函数 " ;
最后 , 父类指针或父类引用指向子类的对象 ;

满足 ① 继承 , ② 虚函数重写 , ③ 父类指针/引用指向子类对象三个条件 , 即可实现多态 ;

2、虚函数表概念

" 多态 " 的机制 , 由 " 虚函数表 " 实现 ;

" 虚函数表 " , 英文名称为 " Virtual Function Table " , 简称 Vtable ;

C++ 编译器通过将虚函数指针放入基类的虚函数表中 , 实现在运行时根据实际对象的类型来调用对应的 virtual 虚函数 ;

虚函数表是由 C++ 编译器自动维护的 , 对程序员透明 ;

3、虚函数表工作机制

" 虚函数表 " 由 C++ 编译器负责创建与维护 , 被 virtual 关键字修饰的虚函数 , 会自动被 C++ 编译器存储到 " 虚函数表 " 中 ;

虚函数表创建 : 在类中使用 virtual 关键字声明虚函数时 , C++ 编译器会自动为该类生成 " 虚函数表 " ;

生成虚函数表的前提是至少有 1 个虚函数 ;
如果没有虚函数 , 就不会生成虚函数表 ;
如果类中有 virtual 虚函数 , 则该类的每个对象中 , 都有一个指向虚函数表的 vptr 指针 ;

虚函数表存储虚函数指针 : " 虚函数表 " 是存储 " 类成员函数指针 " 的数据结构 , 是一个函数指针数组 , 数组中的元素都是函数指针 , 具体存储的都是指向类中的虚函数的指针 ;

如果子类中 , 重写了父类的 virtual 虚函数 , 那么 C++ 编译器会在子类虚函数表中放入该子类虚函数的函数指针 ;

4、vptr 指针

如果 C++ 类中存在 virtual 虚函数 , 在创建对象时 , 会生成虚函数表 Virtual Function Table , 简称 vtable ;

C++ 编译器编译代码时 , 会自动为该类添加一个 vptr 指针成员变量 , 该指针会指向虚函数表 ;

5、虚函数表运行时机制

" 虚函数表 " 在 C++ 编译器编译时生成 , 运行时存储在可执行文件的内存中 ;

程序运行时 , 根据对象的类型信息 , 可以通过虚函数表来动态地调用对应的函数 ;

虚函数表与对象是一一对应的 , 如果父类指针指向的对象 , 调用虚函数 , 则会去对象对应的虚函数表中查找函数 , 找到的肯定是对象的虚函数 ;

虚函数表机制可以避免在运行时进行类型判断 , 提高了程序的效率和可维护性 ;

6、虚函数与动态联编

C++ 编译器确定函数是否为 virtual 虚函数 ;

非虚函数的静态联编 : 如果函数没有被 virtual 关键字修饰 , 该函数不是虚函数 , 该函数可以被确定为普通成员函数 , 则使用 " 静态联编 " , 在编译时就可以确定是否调用该函数 ;
虚函数的动态联编 : 如果函数被 virtual 关键字修饰 , 则该函数是虚函数 , C++ 编译器编译该类时 , 会自动生成一个虚函数表 , 并为对象设置一个 vptr 指针 , 指向该虚函数表 , 在调用时 , 需要查找 vptr 指向的虚函数表中的虚函数 , 查找个调用虚函数的操作是在运行时进行的 , 这是 " 动态联编 " ;

二、代码示例 - 虚函数表

1、代码实例分析 - 虚函数表创建与使用

在下面的代码中 , Parent 是父类 , 其中定义了 virtual 虚函数 , Child 子类中重写了该虚函数 ;

使用如下代码 , 创建 Child 子类对象时 , 发现有 virtual 虚函数会创建虚函数表 , 在对象中会自动添加 vptr 指针成员变量指向虚函数表首地址 ;

// 创建 Child 子类对象时
	// 发现有 virtual 虚函数 会创建 虚函数表
	// 在对象中使用 vptr 指针指向 虚函数表 首地址
	Child c;

虚函数表中存储了多个虚函数的入口地址 ;

将 Child 对象的地址赋值给 Parent * 指针时 , 通过 Parent* 指针调用 fun 虚函数 ,

C++ 编译器根本不会去关心当前调用的函数是 Parent 父类的还是 Child 子类的 ,

而是根据对象中的 vptr 指针指向的虚函数表调用对应的虚函数 ;

父类对象和子类对象中都有一个 vptr 指针成员变量 ,

当调用虚函数时 , 会根据对象中的 vptr 指针查找虚函数表中的对应虚函数 ;

2、完整代码示例

代码示例 :

#include "iostream"
using namespace std;

// 父类
class Parent {
public:
	virtual void fun(int a)
	{
		cout << "执行 父类 virtual void fun(int a) 函数" << endl;
	}
};

// 子类
class Child : public Parent {
public:
	virtual void fun(int a)
	{
		cout << "执行 子类 virtual void fun(int a) 函数" << endl;
	}
};

int main() {

	Parent* p;
	// 创建 Child 子类对象时
	// 发现有 virtual 虚函数 会创建 虚函数表
	// 在对象中使用 vptr 指针指向 虚函数表 首地址
	Child c;

	// 将父类指针指向子类对象
	p = &c;
	// 通过父类指针调用子类对象的 fun 函数
	p->fun(1);

	// 控制台暂停 , 按任意键继续向后执行
	system("pause");

	return 0;
}

执行结果 :

执行 子类 virtual void fun(int a) 函数
Press any key to continue . . .