C++多态和虚函数的实现原理

一、关于多态

多态是C++中的重要内容，多态的意思是可以使用父类指针指向子类，并通过这个指针调用子类的函数。

多态可以分为两种形式：

编译时多态，主要指泛型编程。
运行时多态，主要指虚函数和子类继承。

一般我们讨论的都是运行时多态，运行时多态的几个基本条件为：

继承和虚函数。
父类对象指向子类对象。

多态形成的原理就是vptr指针和vtable虚函数表，当类中有虚函数时，编译器会自动生成虚函数表vtable，这个表属于这个类，所有类实例共享。同时还成一个vptr指针指向这个虚函数表，执行调用的时候，先通过vptr指针找到自己的虚函数表，然后执行表中的函数。

二、证明vptr指针存在

多态形成的必要条件是虚函数和继承，当两者其中之一都不存在的时候，编译器不会形成多态，因此也不会生成vptr指针。只有两者同时存在的时候，编译器才会生成vptr指针。

以下代码通过类的大小来证明了vptr指针的存在：

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    A() {};
    ~A() {};
    void print() { cout << "AAAAAAAAAA" << endl; };
};

class B : public A {
public:
    B() {};
    ~B() {};
    void print() { cout << "BBBBBBBBBB" << endl; };
};

int main() {
    cout << "sizeof(A): " << sizeof(A) << endl;
    cout << "sizeof(B): " << sizeof(B) << endl;
    return 0;
}

C++对空类会分配一个字节的内存，此时的输出A和B的大小都是1：

sizeof(A): 1
sizeof(B): 1

将A中的print()函数设置为虚函数后：

virtual void print() { cout << "AAAAAAAAAA" << endl; };

两个结构体的大小会变成8，因为添加虚函数后，类中会生成vptr指针，64位系统指针是四个字节，所以A和B的大小就变成了8。

三、vptr指针的工作原理

3.1 vptr和vtable

在创建一个含有虚函数的类时，系统会为每个类生成虚函数表，存放了当前对象所有的函数列表，而vptr指针就指向这个表的地址。子类继承父类后，也会生成一个属于自己的虚函数表和vptr指针，如果子类有重写父类的虚函数，虚函数表中的函数地址就是自己类中的成员函数。执行子类调用时，先通过vptr指针定位到对应的虚函数表，然后执行对应的函数。

以上是一个图形示例，类B继承了类A，类B重写了f1和f2函数，它的函数表中f1和f2都指向自己的成员函数。而f3并未继承，所以指向父类。因此执行子类函数时，f1和f2都是用的自己的成员函数。

关于静态联编和动态联编

说到多态肯定免不了要提到动态联编，动态联编就是指程序在运行时才能决定的运行片段，例如if和switch代码段，它们只有在运行时才能知道下一步是什么，走哪个代码代码段。多态也是如此，运行到了虚函数的时候才能决定执行哪个函数。而静态联编就是指程序在编译阶段就能决定的事情，就像main函数，编译后就固定从它开始执行。

3.2 vptr指针绑定的顺序

子类中vptr指针的值的绑定顺序：

运行父类构造函数时，先指向父类的虚函数表。
运行子类构造函数时，再把指针指向子类的虚函数表。

通过以下代码和GDB调试器可以验证这个观点：

#include<iostream>

using namespace std;

class A {
public:
    A() {
    };
    ~A() {};
    virtual void print() { cout << "AAAAAAAAAA" << endl; };
};

class B : public A {
public:
    B() {
    };
    ~B() {};
    void print() { cout << "BBBBBBBBBB" << endl; };
};

int main() {
    A a;
    B b;

    return 0;
}

带调试模式编译：