细谈C++多态性的“动”与“静”

2019-11-17 05:28:08

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供稿：网友

　　在我们讨论多态的时候，先看看什么是硬编码和软编码：硬编码就是把代码写死了，导致弹性不足，降低了可扩展性，例如在代码里的
if...else...；switch...case...

　　这些代码通常都属于硬编码，项目中的这些代码多了，就相当于说明这个代码的灵活性、扩展性、弹性等等的少了。

　　所以，我们要尽量使用软编码，通俗点就是“别把话说死了，留点转弯的余地”。多态性就是这种软编码特性的反映，下面我们一起来研究一下多态性。

　　多态性是一种抽象，把事物的特征抽象出来，然后事物的具体形态我们就不关心了。

　　例如对工人这种事物来说，他的特征就是工作，至于是什么工人，他做什么工作，我们就不用关心了，只要我们以“工人.工作”这种方式去调用。那他就会为我们工作了。

　　那为什么我们不抽象出其他的特征，只抽象出工作这个特征呢？因为我们只对这个特征感爱好，他的什么吃饭、睡觉、如厕等的特性我们都不关心了。有了多态，我们就可以实现软编码了！

　　讲解了多态的概念之后，我们来看看多态的实现（C++的实现）：

　　多态的实现是通过虚函数表(VTable)，每个类假如有虚函数，那它就有一个虚函数表，所有的对象都共享这一个VTable。这个概念也叫做动态联编，还有静态联编，这些概念都是通过在程序执行的时候表现出来的性质来定的，我们下面会看看它的“动”和“静”究竟体现在哪里。

　　先看一段代码：

class C0
...{
public:
void Test()
...{
cout << "call C0 Test()。" << endl;
}
};
　　这个类没有虚函数，调用的时候就是静态调用。调用的代码如下：

// 静态编译（早绑定 early binding）
C0 *pO0;
C0 obj0;
pO0 = &obj0;
pO0->Test();
它的反汇编代码如下：

// 直接调用函数（已经知道地址）
00401432 mov ecx,dWord ptr [ebp-0Ch]
00401435 call @ILT+160(C0::Test) (004010a5)
下面看看带虚函数的类：

class C1
...{
public:
virtual void Test()
...{
cout << "call C1 Test()" << endl;
}
};

class C11 : public C1
...{
public:
void Test()
...{
cout << "call C11 Test()" << endl;
}
};
　　它的调用：

C11 obj11;

C1 *pObj1;
pObj1 = &obj11;
// 这里生成的汇编代码
// 0040144A lea edx,[ebp-14h] // 寻址找到pObj1
// 0040144D mov dword ptr [ebp-1Ch],edx

pObj1->Test();
// 这里生成的汇编代码
// 00401450 mov eax,dword ptr [ebp-1Ch] // 取得虚表地址
// 00401453 mov edx,dword ptr [eax]
// 00401455 mov esi,esp
// 00401457 mov ecx,dword ptr [ebp-1Ch] // 根据虚表的位置来取得Test()函数
// 0040145A call dword ptr [edx] // 调用Test()函数
　　根据上述的汇编代码，我们可以知道，在多态调用函数的时候，程序执行以下步骤：

　　1、寻址找到pObj1

　　2、由于C11重载了Test虚函数，所以*pObj1指向的就是C11的VTable的地址

　　3、调用pObj1->Test()时，程序通过Vptr(虚表的指针，对象的首地址)，找到VTable，再根据偏移调用Test函数。

　　由于上述的多态调用过程是一个动态的过程（在运行时去“找”函数来调用），而不是编译完就直接把函数地址摆在那里了，所以被称作“动态联编”。

　　上面把多态的“动”和“静”的特点结合代码说了一遍，希望能说清楚了。

　　下面再验证一个类的虚表的问题，假如你对虚表已经很熟悉了，就不用再往下看了。

　　在很多书上都已经说明了C++的对象模型，这里只是做个验证。看看这段代码：

class C1
...{
public:
virtual void Test()
...{
cout << "call C1 Test()" << endl;
}
};

class C11 : public C1
...{
public:
void Test()
...{
cout << "call C11 Test()" << endl;
}
};

class C12 : public C1
...{
public:
void Test()
...{
cout << "call C12 Test()" << endl;
}
};
　　我们可以知道 Test() 是虚函数，从C1派生的类必定有自己的虚表。而且根据别的资料，虚表指针是放在对象的首地址的，我们下面就来验证一下：

// 验证首地址
C11 obj110;
C11 obj111;

PRintf("obj110 的地址：%x ", &obj110);
printf("obj111 的地址：%x ", &obj111);
printf("obj110 虚表的地址：%x ", *(&obj110));
printf("obj111 虚表的地址：%x ", *(&obj111));
　　结果是：

　　obj110 的地址：12ff7c
　　obj111 的地址：12ff78
　　obj110 虚表的地址：432098
　　obj111 虚表的地址：432098

　　由上面的结果我们可以验证：

　　1、一个类一个VTABLE，而不是一个对象一个VTABLE。

　　2、对象的首地址的内容就是VTABLE的地址。

　　总结一下：

　　C++的多态性包括其概念和实现，本文从编译器生成的代码来讨论C++多态特性，非凡说明了为什么多态特性被称为“动态联编”，它和“静态联编”有什么不同，它们的“动”与“静”体现在哪里。另外还对对象的虚表做了些验证。好了，希望本文能对你熟悉C++的多态性有一定的帮助！

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