C++多态实现原理

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多态是C++的一个重要特性，本文将深入介绍C++编译器是如何实现C++多态特性。

先看一段涉及多态的代码。

#include <iostream>
using namespace std;

class BaseClass
{
public:
    virtual ~BaseClass() {}
    virtual void VirtualFunction1() { 
        cout << "I am base virtual function 1" << endl; 
    }
    virtual void VirtualFunction2() { 
        cout << "I am base virtual function 2" << endl; 
    }
    void NonVirtualFunction() { 
        cout << "I am base non virtual function" << endl; 
    }
private:
    int m_nBaseField = 0;
};

class SubClass : public BaseClass 
{
public:
    virtual ~SubClass() {}
    virtual void VirtualFunction1() override { 
        cout << "I am subclass function 1, override base class" << endl; 
    }
    void NonVirtualFunction() { 
        cout << "I am subclass non virtual function" << endl; 
    }
private:
    int m_nSubClassField = 0;
};

int main()
{
    BaseClass baseClass;
    SubClass subClass;
    BaseClass* pBaseClass = &baseClass;
    pBaseClass->VirtualFunction1();
    pBaseClass = &subClass;
    pBaseClass->VirtualFunction1();
    pBaseClass->NonVirtualFunction();
    return 0;
}

如上示例代码，定义基类BaseClass，BaseClass定义了虚析构函数、虚函数VirtualFunction1、虚函数VirtualFunction2、非虚函数NonVirtualFunction。

然后定义子类SubClass继承于BaseClass，覆盖重写BaseClass的虚析构函数、虚函数VirtualFunction1、函数NonVirtualFunction，未覆盖重写BaseClass的虚函数VirtualFunction2。

Main函数定义了两个对象baseClass和subClass，定义了BaseClass指针pBaseClass，先让pBaseClass指向baseClass对象，调用VirtualFunction1，然后让pBaseClass指向subClass，调用VirtualFunction1和NonVirtualFunction。

下面是输出结果：

从输出结果知：

第一，pBaseClass指向baseClass对象，调用VirtualFunction1时，是调用BaseClass::VirtualFunction1。当pBaseClass指向subClass对象，调用VirtualFunction1时，是调用SubClass::VirtualFunction1。也就是说，pBaseClass同样调用VirtualFunction1，但是会因为pBaseClass指向的对象不同，而产生不同的行为（调用不同的方法），这就是多态。

第二，pBaseClass指向subClass对象，调用NonVirtualFunction时，调用的是BaseClass::NonVirtualFunction，而不是SubClass::NonVirtualFunction。

接下来将重点解释下这两个结论，首先让我们看下baseClass和subClass这两个对象的内存布局。

从上图可以发现，baseClass有一个数据成员__vfptr，__vfptr是为了实现多态，编译器在最前面隐式添加的一个指针，叫虚函数表指针，其指向虚函数表。baseClass虚函数表有三个元素，对应BaseClass定义的三个虚函数（虚构函数、VirtualFunction1、VirtualFunction2），这三个虚函数的地址是编译阶段编译器计算生成。

subClass继承于baseClass，内存布局上首先是baseClass的__vfptr和数据成员m_nBaseField，然后是SubClass定义的数据成员m_nSubClassField。subClass的__vfptr的值与baseClass的__vfptr的值不同，说明它们指向的虚函数表是不一样的。由于subClass没有新增虚函数，所以虚函数表也是三个元素与BaseClass的虚函数个数相同。但是，subClass覆盖重写了baseClass的虚析构函数和VirtualFunction1，所以第一和第二个元素的值不同，指向的是SubClass对应的虚函数。由于VirtualFunction2未被覆盖重写，所以第三个元素的值与BaseClass的虚函数表的第三个元素的值相同，都指向BaseClass::VirtualFunction2。

NonVirtualFunction不是虚函数，所以没有在虚函数表中。

接下来，我将结合虚函数表和汇编代码对上面的结论进行解释说明。

指针pBaseClass指向subClass对象，为什么调用NonVirtualFunction时不是调用subClass的NonVirtualFunction方法？这是因为pBaseClass是BaseClass*类型，NonVirtualFunction方法不是虚函数，所以它的调用地址在编译阶段，编译器就已经决定调用CBaseClass::NonVirtualFunction方法，我们从如下汇编代码知道call指令的地址固定为0A61519h。

指针pBaseClass指向subClass对象，为什么调用VirtualFunction1方法时，是调用subClass::VirtualFunction1呢？让我们先看下汇编代码。

首先，将指针pBaseClass的值（subClass对象的地址）放入寄存器eax。

其次，读取eax所指向的内存的值放入寄存器edx，也就是pBaseClass->__vfptr的值（虚函数表指针的值）。

再次，读取edx+4所指向的内存的值放入eax，也就是pBaseClass->__vfptr[1]，也就是VirtualFunction1函数的地址。

最后，call eax，也就是call VirtualFunction1。

可见，调用虚函数和调用非虚函数有很大区别，调用虚函数时是在运行时期决定的，而调用非虚函数是在编译时期就决定了。调用虚函数时会查询虚函数表对应函数的地址，如果子类覆盖重写基类的虚函数，子类的虚函数表对应函数的地址就会被编译器更新为子类的函数。子类对象的地址可以赋值给基类（BaseClass* pBaseClass = &subClass），由于__vfptr数据成员是从基类继承，所以pBaseClass虽然指向SubClass对象，但是可以访问到__vfptr，而此时__vfptr指向SubClass的虚函数表，自然就调用SubClass的方法。