【C++】深度解剖多态(上) https://developer.aliyun.com/article/1565588
🌙多态的原理
💫虚函数表
问题探究：
下面代码运行结果：
我们定义一个Base类，里面有虚函数，还有一个变量int，按照我们之前学习到了，这里Base类的大小应该是4个字节，图中确是8个字节，为什么会发生这种现象呢？
问题分析：
除了_b成员，还多一个__vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，因为虚函数 的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。其实应该叫__vftptr（多个t代表table）
总结归纳：
我们多添加几个虚函数，看看这个表里面的内容是怎么样的，可以发现虚函数会放到虚函数表中，普通函数不会，并且表里面的内容是一个数组，是函数指针数组
class Base { public: virtual void Func1() { cout << "Base::Func1()" << endl; } virtual void Func2() { cout << "Base::Func2()" << endl; } void Func3() { cout << "Base::Func3()" << endl; } private: int _b = 1; }; class Derive : public Base { public: virtual void Func1() { cout << "Derive::Func1()" << endl; } private: int _d = 2; }; int main() { Base b; Derive d; return 0; }
💫多态的原理
1.虚表指针里的内容
举例说明：
class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; } virtual void fun() {} private: int a; }; class Student : public Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; } private: int b; }; void Func(Person* p) { p->BuyTicket(); } int main() { Person p; Student s; Func(&p); Func(&s); return 0; }
问题分析：
从图中我们可以看到，在内存1里面输入&p可以找到p的地址， 因为p的第一个内容就是__vfptr，因此p的地址也是__vfptr的地址，那么我们通过__vfptr的地址就可以找到虚函数表里面的内容，因此我们在内存2里面输入__vfptr的地址，我们便找到了两个虚函数的地址。
问题拓展：
注意这里Student类和Teacher的类表里的第二个虚函数地址是一样的，因为B类没有重写第二个虚函数，因此继承下来了。为什么第一个虚函数不一样呢？因为子类重写后覆盖掉了（这也是为什么重写
被称作覆盖的由来）
2.引用和指针如何实现多态
可以分析，为什么多态可以实现指向父类调用父类函数 ，指向子类调用子类函数？传递父类，通过vftptr找到虚函数表的地址，再去找到虚函数的地址，有了虚函数的地址，便可以去call这个虚函数。父类再去接受这个数据了，一样会有vftptr（是子类的vftptr），再去找到虚函数的地址，有了虚函数的地址，便可以去call这个虚函数这样就完成了多态。
传递子类，首先会进行切割
💫虚函数表存放位置
举例说明：
我们通过代码来打印各个区地地址，可以判断虚函数表存放位置
class Base { public: virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; } virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; } private: int a; }; void func() {} int main() { Base b1; Base b2; static int a = 0; int b = 0; int* p1 = new int; const char* p2 = "hello world"; printf("静态区:%p\n", &a); printf("栈:%p\n", &b); printf("堆:%p\n", p1); printf("代码段:%p\n", p2); printf("虚表:%p\n", *((int*)&b1)); printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1); printf("普通函数:%p\n", func); }
问题分析：
注意打印虚表这里，vs x86环境下的虚表的地址是存放在类对象的头4个字节上。因此我们可以通过强转来取得这头四个字节b1是类对象，取地址取出类对象的地址，强转为(int*)代表我们只取4个字节，再解引用，就可以取到第一个元素的地址，也就是虚函数表指针的地址
从图中可以发现代码段和虚表地址非常接近，存在代码段的常量区。虚函数和普通函数地址非常接近，存在代码段。
🌙单继承和多继承关系的虚函数表
💫单继承中的虚函数表
举例说明：
class Base { public: virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; } virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; } private: int a; }; class Derive :public Base { public: virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; } virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; } virtual void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; } private: int b; }; class X : Derive { public: virtual void fun3() { cout << "X::func3" << endl; } }; int main() { Base b; Derive d; X x; return 0; }
代码分析：
通过输入__vfptr的地址，我们成功找到了里面虚函数的地址。并且我们还发现似乎下面那两个地址跟上面两个非常接近，我们可以合理的设想，下面两个地址也是虚函数指针。
问题分析：
下面我们typedef了虚函数表指针 typedef void(*VFTPTR)(); 可以通过这个函数指针数组来打印里面的虚函数，这个打印函数终止条件就是 !=0 ，传递的参数内容跟前面我们分析的差不多，只是躲了一个强转，PrintVFPtr((VFTPTR*)*(int*)&b) ; 因为后面的 *(int*)&b 虽然内容是地址，但是表现形式是一个整形，需要强为 (VFTPTR*) 。
问题拓展：
在*((int*)&d) 就会取到vTableAddress指向的地址，就得到虚函数的地址了。
class Base { public: virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; } virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; } private: int a; }; class Derive :public Base { public: virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; } virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; } virtual void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; } private: int b; }; class X : Derive { public: virtual void func3() { cout << "X::func3" << endl; } }; typedef void(*VFTPTR)(); void PrintVFPtr(VFTPTR a[]) { for (size_t i = 0; a[i] != 0; i++) { printf("a[%d]:%p->", i, a[i]); VFTPTR p = a[i]; p(); } cout << endl; } int main() { Base b; Derive d; X x; PrintVFPtr((VFTPTR*)*(int*)&b); PrintVFPtr((VFTPTR*)*(int*)&d); PrintVFPtr((VFTPTR*)*(int*)&x); return 0; }
运行：
分析：可以确认虚函数都会放到虚表里面
💫多继承中的虚函数表
class Base1 { public: virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; } virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; } private: int b1; }; class Base2 { public: virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; } virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; } private: int b2; }; class Derive : public Base1, public Base2 { public: virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; } virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; } private: int d1; }; typedef void(*VFPTR) (); void PrintVTable(VFPTR vTable[]) { // 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数 cout << " 虚表地址>" << vTable << endl; for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i) { printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]); VFPTR f = vTable[i]; f(); } cout << endl; } int main() { printf("%p\n", &Derive::func1); Derive d; //PrintVTable((VFPTR*)(*(int*)&d)); PrintVTable((VFPTR*)(*(int*)&d)); PrintVTable((VFPTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1)))); }
PrintVTable((VFPTR*)(*(int*)&d));
因为对象中存虚表指针，虚表指针中存的是虚表(一个指针数组)，则需要先解引用访问到这个对象的前四个字节内容(存的就是虚表指针)，此时的虚表指针 *((int*)&d)是一个int类型，再把虚表指针类型强转成指针数组类型才能传参
PrintVTable((VFPTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1)))); 是找到Base2的虚表地址后再解引用找到虚表（直接加2个int字节也能找到base2，考虑Base1可能不单单是2个int大小，这里建议用sizeof(Base1) ）
结论: Derive对象Base2虚表中func1时，是Base2指针ptr2去调用。但是这时ptr2发生切片指针偏移，需要修正。中途就需要修正存储this指针ecx的值
💫菱形继承和菱形虚拟继承
实际中我们不建议设计出菱形继承及菱形虚拟继承，一方面太复杂容易出问题，另一方面这样的 模型，访问基类成员有一定得性能损耗。所以菱形继承、菱形虚拟继承我们的虚表我们就不看 了，一般我们也不需要研究清楚，因为实际中很少用。
🌙继承和多态常见的面试问题
1.什么是多态？本篇已讲解了
2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？这里在本篇已讲解了
3. 多态的实现原理？这里在本篇已讲解了
4. inline函数可以是虚函数吗？答：可以，不过编译器就忽略inline属性，这个函数就不再是 inline，因为虚函数要放到虚表中去。
5. 静态成员可以是虚函数吗？答：不能，因为静态成员函数没有this指针，使用类型::成员函数 的调用方式无法访问虚函数表，所以静态成员函数无法放进虚函数表。
6. 构造函数可以是虚函数吗？答：不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表 阶段才初始化的。
7. 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？答：可以，并且最好把基类的析 构函数定义成虚函数。
8. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？答：首先如果是普通对象，是一样快的。如果是指针 对象或者是引用对象，则调用的普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函 数表中去查找。
9. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？答：虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况 下存在代码段(常量区)的。
10. C++菱形继承的问题？虚继承的原理？这里在本篇已讲解了
11. 什么是抽象类？抽象类的作用？抽象类强制重写了虚函数，另外抽 象类体现出了接口继承关系。
🌟结束语
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