【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 | 虚函数与动态联编 )

旧城等待， 2024-02-20 04:02 65阅读 0赞

#### 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 . . .

![在这里插入图片描述][ac4322008ac74f529575c93c55976433.png]

[ac4322008ac74f529575c93c55976433.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/976a72b00d804d0c83b0dd6ce01795c8.png