C++ | 动多态 | 虚函数表

多态机制

C++语言有三大特性：封装、继承、多态。

其中所谓的多态，即 “同一接口，不同形态”。接口在我们 C/C++ 语言中可以理解为函数名，不同形态可以理解为函数执行的功能不同。

而多态又主要分为静多态和动多态。

静多态：在编译阶段确定函数的调用

动多态：运行阶段确定函数的调用

宏多态：在预编译阶段确定函数的调用

而我们今天要讨论的就是动多态。

动多态

提到动多态就要提到虚函数，其中虚函数的作用是为动多态提供支持。而我们说动多态发生在运行阶段，那么我们就要先了解运行阶段发生了哪些事情。

从一个 .c/.cpp 文件到最终的可执行程序，主要有以下四个步骤：预编译、编译、汇编和链接。

在链接成为可执行程序之后，就可以运行了，也就是我们所说的运行阶段。

虚函数表

下面我们采用推理的方式，一步步探究动多态的实现原理。

分析1：我们说动多态在运行阶段确认函数的调用 ===》而函数的调用需要拿到函数的入口地址 ===》

所有的文件都是存储在磁盘上的，而在运行阶段所有的数据都是在内存中，要想实现在运行时调用函数，就要确保内存中保存着这些函数的入口地址。那么问题来了，我们在运行中能不能拿到函数的入口地址呢？或者说，要通过怎样的方式才能拿到函数的入口地址呢？

要回答这个问题，我们就得先搞清楚链接阶段发生了哪些事情。

链接阶段主要做了以下四件事情：

合并段和符号表
符号解析
分配地址和空间
指令段（.text）符号重定位

函数的入口地址在符号表中存放，在链接完成之后我们就已经拿到了函数的入口地址，但是符号表在磁盘上存放 。

分析磁盘文件：

在windows系统上文件以PE格式存放，在Linux系统上文件以ELF格式存放，下面以Linux的ELF文件为例分析文件格式。

ELF文件格式大致如下，一个ELF HEADER头部信息、.text指令段、.data数据段、.bss数据段（不存在）、.comment 注释信息段等等。

使用命令 objdump -h obj.o查看目标文件的段布局

运行阶段，程序通过两个加载器把指令段和数据段信息加载到内存中，而在运行阶段我们根本就没有把符号表加载到内存中，也就拿不到函数的入口地址。（ps：函数在汇编阶段完成后，普通函数的入口地址已经写死到指令中了，因此在运行阶段不需要加载符号表。）

数据段有 .data段、.bss段、 .rodata段，以下为程序加载示意图

分析2：在内存中拿到函数的入口地址 ===》程序运行时从可执行程序中只加载指令和数据 ===》把函数的入口地址放在可加载的区域

问：可加载的区域就指令段和数据段，那么把入口地址放在指令段还是数据段呢？

答：嗯，地址应该算是数据吧，就如同指针所指向的数据一样，存放的都是地址。

那么最终的问题，就变成怎样把函数入口地址放入数据段中。

问：那么函数入口地址是哪个阶段产生的呢？

答：函数、全局变量、静态变量的虚拟地址在编译时就可确定。

编译阶段会生成函数符号和入口地址，按照普通函数的处理方式，函数符号会写进符号表中，而我们现在让它在编译阶段时在符号表放一份，在数据段再放一份。这样数据段中就有了一份函数入口地址的拷贝。其中数据段指的是 .rodata（只读数据段）。因此，在 .rodata 数据段中就有了一份符号表。

在这个 .rodata 段中存放的函数数据集合我们用一个结构体vftable表示，而这个函数集合也就是我们讨论的虚函数表。

通过层层推理，终于水落石出了。我们找出了多态实现的理论依据，即虚函数表的生成。

前面也提到了，虚函数为多态提供了支持，因此对于虚函数的处理应该满足以上的推论，下面让我们正向的推导一遍整个流程：

虚函数的处理流程：

virtual 关键字声明函数为虚函数 ===》编译阶段生成符号把函数符号写入符号表并生成虚函数表 ===》汇编、链接生成可执行程序 ===》加载指令和数据，运行可执行程序