多态性实现机制

C++的多态性实现机制剖析

――即VC++视频第三课this指针详细说明

作者：孙鑫时间：2006年1月12日星期四

1.多态性和虚函数

我们先看一个例子：

例1- 1

#include

class animal

{

public:

void sleep()

{

cout<<"animal sleep"<

}

void breathe()

{

cout<<"animal breathe"<

}

};

class fish:public animal

{

public:

void breathe()

{

cout<<"fish bubble"<

}

};

void main()

{

fish fh;

animal *pAn=&fh;

pAn->breathe();

}

注意，在例1-1的程序中没有定义虚函数。考虑一下例1-1的程序执行的结果是什么？

答案是输出：animal breathe

我们在main()函数中首先定义了一个fish类的对象fh，接着定义了一个指向animal类的指针变量pAn，将fh的地址赋给了指针变量pAn，然后利用该变量调用pAn->breathe()。许多学员往往将这种情况和C++的多态性搞混淆，认为fh实际上是fish类的对象，应该是调用fish类的breathe()，输出“fish bubble”，然后结果却不是这样。下面我们从两个方面来讲述原因。

1、 编译的角度

C++编译器在编译的时候，要确定每个对象调用的函数的地址，这称为早期绑定（early binding ），当我们将fish 类的对象fh 的地址赋给pAn 时，C++编译器进行了类型转换，此时C++编译器认为变量pAn 保存的就是animal 对象的地址。当在main()函数中执行pAn->breathe()时，调用的当然就是animal 对象的breathe 函数。

2、 内存模型的角度

我们给出了fish 对象内存模型，如下图所示：

图1- 1 fish 类对象的内存模型

我们构造fish 类的对象时，首先要调用animal 类的构造函数去构造animal 类的对象，然后才调用fish 类的构造函数完成自身部分的构造，从而拼接出一个完整的fish 对象。当我们将fish 类的对象转换为animal 类型时，该对象就被认为是原对象整个内存模型的上半部分，也就是图1-1中的“animal 的对象所占内存”。那么当我们利用类型转换后的对象指针去调用它的方法时，当然也就是调用它所在的内存中的方法。因此，输出animal breathe ，也就顺理成章了。

正如很多学员所想，在例1-1的程序中，我们知道pAn 实际指向的是fish 类的对象，我们希望输出的结果是鱼的呼吸方法，即调用fish 类的breathe 方法。这个时候，就该轮到虚函数登场了。

前面输出的结果是因为编译器在编译的时候，就已经确定了对象调用的函数的地址，要解决这个问题就要使用迟绑定（late binding ）技术。当编译器使用迟绑定时，就会在运行时再去确定对象的类型以及正确的调用函数。而要让编译器采用迟绑定，就要在基类中声明函数时使用virtual 关键字（注意，这是必须的，很多学员就是因为没有使用虚函数而写出很多错误的例子），这样的函数我们称为虚函数。一旦某个函数在基类中声明为virtual ，那么在所有的派生类中该函数都是virtual ，而不需要再显式地声明为virtual 。

下面修改例1-1的代码，将animal 类中的breathe()函数声明为virtual ，如下：

例1- 2

#include

fish 类的对象所占内存

class animal

{

public:

void sleep()

{

cout<<"animal sleep"<

}

virtual void breathe()

{

cout<<"animal breathe"<

}

};

class fish:public animal

{

public:

void breathe()

{

cout<<"fish bubble"<

}

};

void main()

{

fish fh;

animal *pAn=&fh;

pAn->breathe(); }

大家可以再次运行这个程序，你会发现结果是“fish bubble ”，也就是根据对象的类型调用了正确的函数。

那么当我们将breathe()声明为virtual 时，在背后发生了什么呢？

编译器在编译的时候，发现animal 类中有虚函数，此时编译器会为每个包含虚函数的类创建一个虚表（即vtable ），该表是一个一维数组，在这个数组中存放每个虚函数的地址。对于例1-2的程序，animal 和fish 类都包含了一个虚函数breathe()，因此编译器会为这两个类都建立一个虚表，如下图所示：

图1- 2 animal 类和fish 类的虚表 那么如何定位虚表呢？编译器另外还为每个类的对象提供了一个虚表指针（即vptr ），这个指针指向了对象所属类的虚表。在程序运行时，根据对象的类型去初始化vptr ，从而让vptr 正确的指向所属类的虚表，从而在调用虚函数时，就能够找到正确的函数。对于例1-2的程序，由于pAn 实际指向的对象类型是fish ，因此vptr 指向的fish 类的vtable ，当调用

animal 类的

fish 类的vtable