C++ 2022 年 7 月 30 日

[C++] 多态原理的分析: 虚函数表、多态原理、多继承、菱形继承、菱形虚拟继承介绍...

编译器是怎么实现多态调用的？

C++ 面向对象特性多态约6667字 -- 阅读时间≈17分钟

上一篇文章详细介绍了什么是多态和多态的使用等方面的问题。但是却留下了一个最大的疑问

编译器是怎么实现多态调用的？

本篇文章的内容就是分析多态实现原理的

多态实现原理

虚函数表

在介绍菱形虚拟继承的时候，介绍了一张表：虚基表，此表内存储的是数据的相对偏移量。是在菱形虚拟继承中存在的。

而上一篇文章介绍了多态，介绍了一种函数 virtual 虚函数

一个类中存在虚函数，那么此类就会多出一个指向另一个表的指针，此指针叫 虚表指针，此表叫 虚函数表，也称虚表

怎么证明，存在虚函数的类会有一个虚表指针呢？

下面有一道面试题：

上述类，sizeof(Base) 是多少？

按照类和对象的基础知识，类成员函数不在类中不占类空间，所以只计算成员变量的大小，最总结果为 4

但是实际查看会发现：

Base 类的大小为 8(32位环境)

这是为什么？查看Base 类对象内容：

可以看到，除成员变量 _b 之外，还存在一个指针指向了一张表，并且 这个指针处于类对象的开头位置

这个指针就是 虚表指针，指向的表就是虚表

虚表是干什么的？仔细观察虚表的内容，可以看出，虚表内存储的是类中所以虚函数的指针，但是在介绍类和对象的文章中就提到过，成员函数都是一起放在一个公共代码段的，所以其实 虚函数并不是另外存储到了虚表中

也就是说虚表指针指向的虚表其实只是集合了虚函数的指针，而不是存储了虚函数，这些虚函数还是与普通的成员函数一起存放在一个公共代码段

也就是说，虚表指针指向了一个 存放有虚函数指针的地址 (虚表指针是一个二级指针，**虚表指针 可以直接取到虚表中的第一个虚函数)

拥有虚函数的类存在虚表指针，指向虚表，虚表内容是虚函数指针

如果继承体系中父子类虚函数构成了重写，子类虚表的内容会是什么呢？

对比子类和父类对象的内容：

可以看到，子类对象中继承于父类的那一部分也有一个虚表指针

但是因为重写了父类虚函数，所以虚表内的虚函数指针是被重写之后的虚函数的指针并且，没有重写的虚函数与父类中的相同，所以子类中的虚表也可以看作是 复制父类的虚表然后覆盖了被重写的函数 ,但是并不是真的复制+覆盖

子类对象虚表的内容与父类对象相比较，重写的虚函数覆盖了原虚函数

那么还有一个问题：子类对象自己的虚函数指针会存放在哪里呢？

举个例子：

使用上面的子类实例化对象并查看对象的内容：

在VS的监视窗口中，子类对象，既没有新建一个虚表存放只属于自己的虚函数的指针，原虚表中也没有显示只属于自己的虚函数指针

子类中 只属于自己的虚函数的指针到底存放在了哪里 ？

监视窗口中没有显示，但是在介绍继承的时候说过，VS的监视窗口是经过软件优化过后的，会不会只是监视窗口没有显示，但只属于自己的虚函数指针其实也在原续编中存储呢？

监视窗口可以看到虚表的地址，由此就可以从内存窗口中查看到地址存储的内容：

可以看到，需表中确实存储了虚函数指针，但是第三个指针不能确定是否是只属于子类的虚函数的指针，需要验证

怎么验证？

可以取出虚表中的指针，然后调用指针，如果能调用且执行结果符合函数，就说明是子类虚函数指针

32位环境下，对象的头四个字节即为虚表指针，怎么取头四个字节？

虚函数的返回值类型为 void，参数为空，所以函数指针类型为 void(* )()

将函数指针类型 typedef 一下：typedef void(*VFTPTR )() VFTPTR 即为新名字，函数指针的特性

虚表指针是一个指向函数地址的指针，所以 VFTPTR* 即为函数指针的类型

所以，取对象的地址，再将其强转为 int* ，再解引用，即为对象的头4个字节的值，也就是虚表指针的地址再将其强转为 VFTPTR*，再赋给 VFTPTR*类型的变量，此变量就是虚表指针：

VFTPTR* vTable = (VFTPTR*)(*(int*)&dav);

然后将虚表指针传入此函数中：
void PrintVTable(VFTPTR vTable[])
{	// 虚表指针地址是一个二维数组，所以形参可以为 VFTPTR 类型的数组
	// 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]);
		VFTPTR f = vTable[i]; 		// 取函数指针
		f(); 						// 函数指针调用函数
	}
	cout << endl;
}
此函数循环体的结束标志是，遇到 nullptr 是因为在VS 平台下，虚表的结尾是一个空指针

继续调用函数：

可以看到函数指针调用函数，第三个函数指针的执行结果确实与子类自己的虚函数执行结果相同

由此可以证明 原虚函数表中确实存储了属于子类自己的虚函数的指针，但是 VS的监视窗口中没有显示

个人感觉这是一个BUG

所以，其实子类对象中 无论是自己的虚函数还是从父类中继承过来的虚函数，无论重写与否，其函数地址都存放在同一个虚函数表中

总结，虚函数表 是存放类虚函数指针的一个表，此表不直接存储在对象中而是在对象中存储一个指向此表的指针，即 虚表指针

虚函数表的内容，会 根据是否构成重写而发生变化，这一变化是为多态的实现提供条件的

多态原理

分析了半天的虚函数表，说虚函数表是为多态的实现提供条件的，那么多态究竟是怎么实现的？

在上一篇文章中介绍过，多态需要满足两个条件：

必须是父类的指针 或 父类的引用 来调用 虚函数
被调用的函数必须是 虚函数，并且此 虚函数 必须被重写

需要第二个条件的原由，其实在上面分析虚函数表时，已经得到答案了

只有父类的虚函数被重写时，子类的虚函数表内存储的才是重写之后的虚函数指针 否则，子类的虚函数表内存储的依旧是父类未被重写的虚函数指针

问题还剩一个，为什么多态调用需要满足父类指针或父类引用调用虚函数？

还是在C++继承的分析文章中，介绍过 子类对象赋值给父类对象会发生切割

并且延伸出

子类对象的地址可以切割给父类指针；
子类对象可以直接切割给父类引用

在多态的实现中，这两个性质十分的重要：

以买票的多态为例：

当使用父类指针或父类引用接收子类的地址或对象时：

可以发现：对象 stu1 和 eld1 的虚表内存储的都是 重写后的虚函数的指针 并且，父类指针 ptrPer 指向的就是 stu1 的父类部分；父类引用 quoPer 就是 eld1父类部分的别名

这样就可以赋予父类指针或父类引用不同的对象，来多态调用虚函数：

但这只是满足了多态调用的两个条件。编译器是如何选择多态调用还是普通调用的？

用以下类举个例子：

Advanced类中的 Func1 重写了 Base类中的 Func1，此时：

由于 ptrBas 只是 Advanced对象中的**Base部分的指针**，所以它指向的内容并没有 Advanced类中的Func2 所以执行ptrBas->Func2() 时，默认会普通调用 Base类中的Func2()

不同的是，Func1 在Advanced类中重写了，并且其函数指针被存入了虚表中。但其实Base类中也是有Func1 函数的，为什么调用时去虚表中找重写后的函数指针并调用，而不是普通调用Base中的Func1？

其实没有具体的为什么。

为实现多态，C++编译器设计的就是： 当调用函数满足多态两个条件时，编译器不会在编译时就根据类中的函数确认函数调用地址，而是在运行时查找虚表进而确认调用函数的地址

这是C++编译器 为了实现多态而设定的一种机制，机制是固定且明确的：函数调用满足多态的两个条件

当满足条件时，编译器就不在编译时确定函数调用的地址，而是在运行时查表确定

如何证明，多态调用函数是在运行时才确定函数地址的，而不是在编译时？

VS环境下证明的方法有一个，那就是 查看反汇编代码 (此汇编是一个动作而不是语言)

依旧按照上面例子的操作，查看其反汇编代码：

首先可以非常明显的看到，多态调用与普通调用的反汇编代码的步骤是不一样的

尝试大致分析一下，两种调用方式反汇编的意思：

dword 为 4 字节

多态调用：

虽然具体意思不明确，但是大概意思还是可以看出来的其实就是在使用各种寄存器，找虚表，查虚表，然后找到函数地址了再call

也就是说，程序再运行时才去找函数地址了，能够说明 多态调用函数，是在程序运行时才通过查表来确定函数地址的

普通调用：

普通调用，直接就call了函数地址，也就是说运行时就已经知道了需要调用的函数的地址

所以 普通调用是编译时就确定了函数的地址

问题：为什么不能是父类对象？

首先要先理解：

把子类对象或子类对象的地址赋值给父类引用或父类指针并不是创建了一个全新的父类对象。而是由父类指针指向子类对象的父类部分或直接给子类对象的父类部分去了别名。本质上还是在子类对象上操作的

但是如果让父类对象也可以实现多态那么就需要在子类对象给父类对象赋值的时候，将子类对象虚表内的仅子类拥有的已经重写后的虚函数指针也赋值给父类对象。

这就导致了 一个普通的父类对象却拥有了其他类的虚函数指针，合理吗？

很明显是不合理的

如果一个普通的父类对象虚表内存储的是其子类对象的虚函数指针，那么自己的虚函数指针应该存储在哪里？

所以，不能让父类对象也实现多态，会错误、会混乱

多继承关系的虚函数表

上面的内容都是对于单继承关系虚函数表的

但是C++ 保留了多继承，那么就不得不继续介绍一下多继承体系中子类的虚函数表的问题了

多继承体系中，子类继承了两个父类，那么父类的虚函数在子类对象中是怎么存在的呢？子类自己的虚函数在对象中又是怎么存在的呢？

以上面这个继承体系为例，查看子类的内容：

从监视窗口可以看到，多继承子类对象中存在多张虚表(具体要看父类个数)

由于VS对虚表进行了优化，使用查看虚表的函数查看这两张虚表：

取第二个虚表的地址首先就是将对象地址跳过第一个父类的大小，获得第二个父类的地址

然后解引用，再转换为4字节的指针，再转换为函数指针

可以看到，两张虚表分别存储了父类的虚函数指针，并且 子类自己的虚函数指针是存储在第一张虚表内 的

但是，有没有发现虚表中诡异的一点？

明明是 Advanced 重写过的同一个函数，为什么 两张虚表中的 Advanced:: func1 的地址不同？

答案是，编译器进行了套壳。

两张虚表中存储的 Advanced:: func1 的函数指针都不是Advanced:: func1真正的函数指针编译器在Advanced:: func1的函数指针上又套了一层，即虚表中存储、显示的函数指针只是一层外壳

编译器的这个处理，可以从多态调用的反汇编代码中分析出来：

于 Base1部分的 Advanced:: func1 的调用：

Advanced func1

根据反汇编代码分析 ptr1->func1 的调用过程：

首先是找到虚表中func1的函数指针(0x00c31401) 存储到寄存器 eax 中，call eax进行调用

执行 call eax 跳转到地址为 00C31401 的汇编代码处，此地址处的汇编指令为 jmp 00C327A0

执行 jmp 00C327A0 之后开始建立函数栈帧

00C327A0 即为 Advanced::func1 的地址，因为跳转之后，进入函数开始建立函数栈帧

所以虚表中存储的函数指针 0x00c31401 并不直接是 Advanced::func1 的地址可以看作是一层壳子

于 Base2部分的 Advanced:: func1 的调用：

Base2 Advanced func1

观察动图可以发现

调用 Base2 部分的 Advanced:: func1，比起调用 Base1 部分的，显然要更加复杂：

首先同样是找到虚表中func1的函数指针(0x00c31393) 存储到寄存器 eax 中，call eax进行调用

执行 call eax 跳转到地址为 00C31393 的汇编代码处，但是此地址处的汇编指令为 jmp 00C32820，很明显并不是 00C327A0 ，即 Advanced::func1 真正的地址

跳转至地址为 00C32820 的汇编代码处，发现还有两个指令：

sub ecx,8 和 jmp 00c31401

执行了 jmp 00c31401 之后，再跳转至了 jmp 00C327A0 指令处

执行 jmp 00C327A0 进入 Advanced::func1 开始建立函数栈帧

可以看到，虽然 ptr2->func1(); 最后执行的也是 jmp 00C327A0，但是其中间包含的过程更多

下面是两次调用汇编代码简略的执行过程的对比：

可以看到，调用Base1部分的func1，是通过Base1虚表中的壳子 直接跳转到真正的函数指针，然后建立栈帧

而调用Base2部分的func1，则是通过Base2部分虚表中的壳子，找到Base1虚表中的壳子，然后跳转 到真正的函数指针，再建立栈帧的

两种调用明明调用的是同一个函数，为什么会产生这种差异？

原因是：

归根结底，子类的func1是重写的父类的虚函数，即此虚函数并不属于父类，而是属于子类的。所以在调用时，需要知道子类对象的地址，再由此地址找到虚函数指针进行对函数的调用。而由于 Base1 是子类继承的第一个父类，所以子类对象的地址就是 ptr1指向的地址，所以可以直接找到虚函数指针进行调用但是，Base2 是子类的第二个父类，所以ptr2指向的地址与子类对象的地址相隔了一个 Base1的大小，所以才会有此指令： sub ecx, 8 此指令就是去找子类对象地址的，8 即为 Base1的大小找到子类对象地址之后，再像 ptr1->func1 那样去找虚函数真正的指针进而调用函数

当 Base1 大小改变时，sub 指令的偏移值就会改变：

菱形继承、菱形虚拟继承的虚函数表

建议设计继承体系的时候，最好不要设计出菱形继承

菱形继承

上面关于继承虚函数介绍之后，菱形继承其实没有什么需要特别注意的点

在使用的时候看一下对象的结构、内容就可以明白：

可以看到，最子类对象的内容：

只属于子类对象的虚函数，依旧存放在第一个虚表中
对象中虚表存放的函数指针，是最后被重写的函数指针

子类对象中存在两个部分：Intermediate1 和 Intermediate2，这两个部分中，func1 和 func3 都是被Advanced 最后重写的，所以两个部分虚表中存储的都是 Advanced重写的func1和func3

但是Intermediate1 部分没有重写 func2 ，所以其虚表部分存储的是 父类的原func2

Intermediate2 部分重写了 func2，所以其虚表部分存储的是 Intermediate2重写的func2

菱形虚拟继承

示例依旧是上面的继承体系，不过改为虚拟继承

此时实例化子类对象，查看虚拟继承之后的结构：

可以看到Elementary 类部分被整合在一起，存放到了子类对象的底部，两个腰部子类都存放了查找父类部分的偏移量(虚基表)

还可以看到与普通菱形继承不同的是：

菱形虚拟继承的 Elementary 类部分，func2 存储的是被Intermediate2 重写之后的

也就是说，在菱形虚拟继承中 父类虚函数只要被重写了，虚表内就会存储重写过后的虚函数指针 而不是像普通菱形继承那样：如果Intermediate1没重写，虚表内还存储原父类虚函数

但这也导致了一个问题：如果最终子类没有重写父类的虚函数，腰部子类就不能同时重写这个父类虚函数

如果腰部子类同时重写了最终子类没有重写的父类虚函数，则会报错：

虚函数重写不明确，且子类继承不明确

因为腰部子类同时重写了，就代表在同一平行层级有两个重写函数，编译器无法判断此时究竟重写的是哪个，也无法判断子类继承哪个。

还可以看到，Advanced类自己的虚函数单独存放在了一个虚表内，并且 Advanced类对象开头存放的就是此虚表的地址：

关于多态的一些问题

介绍完了菱形继承的虚函数表，其实C++关于多态的点就已经介绍的差不多了

C++多态的细节其实是比较多的，什么接口继承、协变、析构函数同名 等内容都是非常细节的东西，也是比较折磨人的东西

下面有一些关于多态的问题，可以试一试你对多态等内容的了解程度：

什么是多态 (已介绍)
什么是重载、重写、重定义？(已介绍)
多态的实现原理是什么？(已介绍)
虚函数可以 inline 吗？
答，可以，毕竟inline 对于编译器只是一个建议

可以添加 inline，但是编译器会不会听取建议就不好说了。

在分析inline 与虚函数的关系之前，要知道一件事情：inline函数是没有地址的

因为inline函数是直接被展开的，不存在地址

在示例分析之前，设置一下VS对inline的优化问题

由于类内定义的函数默认inline ，所以需要设置一下，方便控制

首先打开项目属性：

然后进行设置

Elementary 类中，func1设置 inline，func2 不设置

说明，虚函数确实是可以inline的，编译器也是会听取建议的

但是，如果是多态调用呢？

可以看到，编译器十分的灵活：
1. 普通调用 inline 函数，编译器会听取建议进行 inline 调用，因为普通调用可以不需要寻址
2. 多态调用 inline 函数，编译器会忽略 inline属性，因为多态调用是运行时查表寻址的
  
  inline函数是无地址的，所以编译器会忽略inline属性
静态成员函数可以是虚函数吗？

答：不可以

因为，静态成员函数是可以直接指定类域调用的，并且没有this指针

而直接指定类域调用成员变量，是无法通过查虚表实现的

所以静态成员函数地址不能存储到虚表中，也就不能加virtual 也就不能是虚函数
虚函数表是在什么阶段生成的，存在内存中哪各区域的？
答：虚函数表是在编译阶段生成的，但是是在对象实例化时，在 构造函数的初始化列表阶段给对象的虚表指针初始化赋值的

Constructor_Virtual-List

那么虚函数表是存放在内存中的哪个区域的呢？

内存中区域的划分大致有四个：栈区、堆区、静态区(数据段)、常量区(代码段)

虚函数表是存放在哪个区域的呢？

要判断，就应该了解虚函数表的特性：
1. 虚函数表是在编译阶段就生成的
2. 虚函数表不是和对象共存亡的
3. 虚函数表也不是一个全局的”表”
其实这三个特点就已经能够判断出，虚函数表存放的位置了

常量区(代码段)

虚函数表是在编译阶段就生成的，并且虚函数表的生命周期是整个程序，所以一定不是在栈区和堆区

而静态区是用来存储全局的变量等内容的，虚函数表明显不是一种全局可以访问的”表”

所以虚函数表最应该存放的位置应该是常量区

并且可以验证一下：

勉强可以验证虚函数表的存放区域
构造函数可以是虚函数吗？

答：不可以

因为对象的虚表指针是在执行构造函数的初始化列表时才赋值的

如果构造函数可以是虚函数，也就意味着它可以多态调用

但是多态调用是需要通过虚表指针查虚函数表获得函数指针的，而对象的虚表指针是在构造函数执行时才赋值的

所以如果构造函数是虚函数，多态调用时需要查表，查表又需要先执行构造函数

会发生大错误
析构函数可以是虚函数吗？

答：可以

并且，最好设置为虚函数，方便多态调用
对象访问普通成员函数快还是虚函数更快？

答：普通调用虚函数是，一样快

多态调用虚函数时，由于多了一个查表的过程，所以会慢一些
C++菱形继承的问题？虚继承的原理？(已介绍)
什么是抽象类？抽象类的作用？(已介绍)