静态绑定与动态绑定

讨论静态绑定与动态绑定,首先需要理解的是绑定,何为绑定?函数调用与函数本身的关联,以及成员访问与变量内存地址间的关系,称为绑定。 理解了绑定后再理解静态与动态。

  • 静态绑定:指在程序编译过程中,把函数调用与响应调用所需的代码结合的过程,称为静态绑定。发生在编译期。
  • 动态绑定:指在执行期间判断所引用对象的实际类型,根据实际的类型调用其相应的方法。程序运行过程中,把函数调用与响应调用所需的代码相结合的过程称为动态绑定。发生于运行期。

C++中动态绑定

在C++中动态绑定是通过虚函数实现的,是多态实现的具体形式。而虚函数是通过虚函数表实现的。这个表中记录了虚函数的地址,解决继承、覆盖的问题,保证动态绑定时能够根据对象的实际类型调用正确的函数。这个虚函数表在什么地方呢?C++标准规格说明书中说到,编译器必须要保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置(这是为了保证正确取到虚函数的偏移量)。也就是说,我们可以通过对象实例的地址得到这张虚函数表,然后可以遍历其中的函数指针,并调用相应的函数。

虚函数的工作原理

要想弄明白动态绑定,就必须弄懂虚函数的工作原理。C++中虚函数的实现一般是通过虚函数表实现的(C++规范中没有规定具体用哪种方法,但大部分的编译器厂商都选择此方法)。类的虚函数表是一块连续的内存,每个内存单元中记录一个JMP指令的地址。编译器会为每个有虚函数的类创建一个虚函数表,该虚函数表将被该类的所有对象共享。 类的每个虚成员占据虚函数表中的一行。如果类中有N个虚函数,那么其虚函数表将有N*4字节的大小。

虚函数(virtual)是通过虚函数表来实现的,在这个表中,主要是一个类的虚函数的地址表,这张表解决了继承、覆盖的问题,保证其真实反映实际的函数。这样,在有虚函数的类的实例中分配了指向这个表的指针的内存(位于对象实例的最前面),所以,当用父类的指针来操作一个子类的时候,这张虚函数表就显得尤为重要,指明了实际所应调用的函数。它是如何指明的呢?后面会讲到。

JMP指令是汇编语言中的无条件跳转指令,无条件跳转指令可转到内存中任何程序段。转移地址可在指令中给出,也可以在寄存器中给出,或在储存器中指出。

首先我们定义一个带有虚函数的基类

class Base
{
public:
virtual void fun1(){
cout<<"base fun1!\n";
}
virtual void fun2(){
cout<<"base fun2!\n";
}
virtual void fun3(){
cout<<"base fun3!\n";
} int a;
};

查看其内存布局



我们可以看到在Base类的内存布局上,第一个位置上存放虚函数表指针,接下来才是Base的成员变量。另外,存在着虚函数表,该表里存放着Base类的所有virtual函数。

既然虚函数表指针通常放在对象实例的最前面的位置,那么我们应该可以通过代码来访问虚函数表,通过下面这段代码加深对虚函数表的理解:

#include "stdafx.h"
#include<iostream>
using namespace std; class Base
{
public:
virtual void fun1(){
cout<<"base fun1!\n";
}
virtual void fun2(){
cout<<"base fun2!\n";
}
virtual void fun3(){
cout<<"base fun3!\n";
} int a;
}; int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
typedef void(*pFunc)(void);
Base b;
cout<<"虚函数表指针地址:"<<(int*)(&b)<<endl; //对象最前面是指向虚函数表的指针,虚函数表中存放的是虚函数的地址
pFunc pfun;
pfun=(pFunc)*((int*)(*(int*)(&b))); //这里存放的都是地址,所以才一层又一层的指针
pfun();
pfun=(pFunc)*((int*)(*(int*)(&b))+1);
pfun();
pfun=(pFunc)*((int*)(*(int*)(&b))+2);
pfun(); system("pause");
return 0;
}

运行结果:

通过这个例子,对虚函数表指针,虚函数表这些有了足够的理解。下面再深入一些。C++又是如何利用基类指针和虚函数来实现多态的呢?这里,我们就需要弄明白在继承环境下虚函数表是如何工作的。目前只理解单继承,至于虚继承,多重继承待以后再理解。

单继承代码如下:

class Base
{
public:
virtual void fun1(){
cout<<"base fun1!\n";
}
virtual void fun2(){
cout<<"base fun2!\n";
}
virtual void fun3(){
cout<<"base fun3!\n";
} int a;
}; class Child:public Base
{
public:
void fun1(){
cout<<"Child fun1\n";
}
void fun2(){
cout<<"Child fun2\n";
}
virtual void fun4(){
cout<<"Child fun4\n";
}
};

内存布局对比:





通过对比,我们可以看到:

  • 在单继承中,Child类覆盖了Base类中的同名虚函数,在虚函数表中体现为对应位置被Child类中的新函数替换,而没有被覆盖的函数则没有发生变化。
  • 对于子类自己的虚函数,直接添加到虚函数表后面。

另外,我们注意到,类Child和类Base中都只有一个vfptr指针,前面我们说过,该指针指向虚函数表,我们分别输出类Child和类Base的vfptr:

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
typedef void(*pFunc)(void);
Base b;
Child c;
cout<<"Base类的虚函数表指针地址:"<<(int*)(&b)<<endl;
cout<<"Child类的虚函数表指针地址:"<<(int*)(&c)<<endl; system("pause");
return 0;
}

运行结果:

可以看到,类Child和类Base分别拥有自己的虚函数表指针vfptr和虚函数表vftable。

下面这段代码,说明了父类和基类拥有不同的虚函数表,同一个类拥有相同的虚函数表,同一个类的不同对象的地址(存放虚函数表指针的地址)不同。

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
Base b;
Child c1,c2;
cout<<"Base类的虚函数表的地址:"<<(int*)(*(int*)(&b))<<endl;
cout<<"Child类c1的虚函数表的地址:"<<(int*)(*(int*)(&c1))<<endl; //虚函数表指针指向的地址值
cout<<"Child类c2的虚函数表的地址:"<<(int*)(*(int*)(&c2))<<endl; system("pause");
return 0;
}

运行结果:

在定义该派生类对象时,先调用其基类的构造函数,然后再初始化vfptr,最后再调用派生类的构造函数( 从二进制的视野来看,所谓基类子类是一个大结构体,其中this指针开头的四个字节存放虚函数表头指针。执行子类的构造函数的时候,首先调用基类构造函数,this指针作为参数,在基类构造函数中填入基类的vfptr,然后回到子类的构造函数,填入子类的vfptr,覆盖基类填入的vfptr。如此以来完成vfptr的初始化)。也就是说,vfptr指向vftable发生在构造函数期间完成的。

动态绑定例子:

#include "stdafx.h"
#include<iostream>
using namespace std; class Base
{
public:
virtual void fun1(){
cout<<"base fun1!\n";
}
virtual void fun2(){
cout<<"base fun2!\n";
}
virtual void fun3(){
cout<<"base fun3!\n";
} int a;
}; class Child:public Base
{
public:
void fun1(){
cout<<"Child fun1\n";
}
void fun2(){
cout<<"Child fun2\n";
}
virtual void fun4(){
cout<<"Child fun4\n";
}
}; int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
Base* p=new Child;
p->fun1();
p->fun2();
p->fun3(); system("pause");
return 0;
}

运行结果:



结合上面的内存布局:

其实,在new Child时构造了一个子类的对象,子类对象按上面所讲,在构造函数期间完成虚函数表指针vfptr指向Child类的虚函数表,将这个对象的地址赋值给了Base类型的指针p,当调用p->fun1()时,发现是虚函数,调用虚函数指针查找虚函数表中对应虚函数的地址,这里就是&Child::fun1。调用p->fun2()情况相同。调用p->fun3()时,子类并没有重写父类虚函数,但依旧通过调用虚函数指针查找虚函数表,发现对应函数地址是&Base::fun3。所以上面的运行结果如上图所示。

到这里,你是否已经明白为什么指向子类实例的基类指针可以调用子类(虚)函数?每一个实例对象中都存在一个vfptr指针,编译器会先取出vfptr的值,这个值就是虚函数表vftable的地址,再根据这个值来到vftable中调用目标函数。所以,只要vfptr不同,指向的虚函数表vftable就不同,而不同的虚函数表中存放着对应类的虚函数地址,这样就实现了多态的”效果“。

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