C++系列总结——多态
前言
封装隐藏了类内部细节,通过继承加虚函数的方式,我们还可以做到隐藏类之间的差异,这就是多态(运行时多态)。多态意味一个接口有多种行为,今天就来说说C++的多态是怎么实现的。
编译时多态感觉没什么好说的,编译时直接绑定了函数地址。
多态
有下面这么一段代码:A有两个虚函数(virtual
关键字修饰的函数),B继承了A,还有一个参数为A*
的函数foo()
。
#include <iostream>
class A
{
public:
A();
virtual void foo();
virtual void bar();
private:
int a;
};
A::A()
: a( 1 )
{
}
void A::foo()
{
std::cout << "A::foo()\n";
return;
}
void A::bar()
{
std::cout << "A::bar()\n";
return;
}
class B : public A
{
public:
B();
virtual void foo();
virtual void bar();
private:
int b ;
};
B::B()
: b( 2 )
{
}
void B::foo()
{
std::cout << "B::foo()\n";
return;
}
void B::bar()
{
std::cout << "B::bar()\n";
return;
}
void foo( A* x )
{
x->foo();
x->bar();
return;
}
我们要先知道,对于虚函数的重写,规则要求编译器必须根据实际类型调用对应的函数,而不是像重写普通成员函数那样,直接调用当前类型的函数。
假设
bar()
是一个非虚函数,B重写了bar()
,那么即使x
指向B的对象,在foo()
调用x->bar()
时也还是输出"A::bar()"
这段代码编译成动态库的话,编译器就无法确定foo()
的入参x
指向的对象是什么类型了(父类指针可以指向自身类型的对象或任意子类的对象),因此编译器就无法直接得出foo()
和bar()
实际的函数地址,无法完成函数调用。这中间肯定发生了什么!
题外话:一旦函数重写,
A::foo()
和B::foo()
就是两个函数,两个地址。如果只是单纯继承的话,之前介绍继承的时候说过,子类是不存在B:;foo()
这个函数,而只是让编译器允许通过B类型的对象调用A::foo()
。
如何确定实际函数地址
一旦无法自然地想通一个流程,觉得中间缺了什么东西时,那肯定是编译器干了什么。因此还是要祭出gdb
这件大杀器。
// 省略前面那段代码
int main()
{
B* x = new B;
foo( x );
return 0;
}
当我们打印x
的内容时,会发现其多了一个位于对象的首地址的_vptr.A
,它其实指向了虚函数表。
(gdb) p *x
$2 = {<A> = {_vptr.A = 0x400a70 <vtable for B+16>, a = 1}, b = 2}
foo()
中的x->foo()
和x->bar()
对应着如下汇编
# x->foo()
0x0000000000400815 <+8>: mov %rdi,-0x8(%rbp) # 将rdi中的对象地址保存到-0x8(%rbp) 中
=> 0x0000000000400819 <+12>: mov -0x8(%rbp),%rax
0x000000000040081d <+16>: mov (%rax),%rax # 取对象首地址的8个字节也就是_vptr.A 0x400a70保存到rax中
0x0000000000400820 <+19>: mov (%rax),%rax # 再取出0x400a70这个地址存放的4个字节数据保存到rax中,其实就是B::foo()函数地址
0x0000000000400823 <+22>: mov -0x8(%rbp),%rdx # 将对象地址保存到rdx中
0x0000000000400827 <+26>: mov %rdx,%rdi # 将对象地址保存到rdi中,作为虚函数foo()的参数
0x000000000040082a <+29>: callq *%rax # 调用B::foo()
# x->bar()
0x000000000040082c <+31>: mov -0x8(%rbp),%rax
0x0000000000400830 <+35>: mov (%rax),%rax # 取对象首地址的8个字节也就是_vptr.A 0x400a70保存到rax中
0x0000000000400833 <+38>: add $0x8,%rax # 跳过8字节,即0x400a70+8
0x0000000000400837 <+42>: mov (%rax),%rax # 取出B::bar()的地址
0x000000000040083a <+45>: mov -0x8(%rbp),%rdx
0x000000000040083e <+49>: mov %rdx,%rdi
0x0000000000400841 <+52>: callq *%rax # 调用B::bar()
看一下0x400a70
这个地址的内容,更容易理解上面的汇编。
(gdb) x /4x 0x400a70
0x400a70 <_ZTV1B+16>: 0x0040095e 0x00000000 0x0040097c 0x00000000
(gdb) x 0x0040095e
0x40095e <B::foo()>: 0xe5894855 # 0x0040095e就是B::foo()的首地址
(gdb) x 0x0040097c
0x40097c <B::bar()>: 0xe5894855 # 0x0040097c就是B::bar()的首地址
从上面可以看出,虚函数表类似于一个数组,其中每个元素是该类实现的虚函数地址,利用虚函数表,就执行正确的函数了。
何时设置虚函数表
既然虚函数表是类数据结构里的一部分,那它的初始化肯定就是在类的构造函数里了,让我们去找找。
下面是B::B()
的一部分汇编,A::A()
也类似只不过是将A的虚函数表地址赋值给_vptr.A
。
0x0000000000400941 <+19>: callq 0x4008d2 <A::A()> # 先构造父类
0x0000000000400946 <+24>: mov -0x8(%rbp),%rax
0x000000000040094a <+28>: movq $0x400a70,(%rax) # 将B的虚函数表地址0x400a70保存到对象的首地址中,即给_vptr.A赋值
0x0000000000400951 <+35>: mov -0x8(%rbp),%rax
0x0000000000400955 <+39>: movl $0x2,0xc(%rax) # 初始化列表
题外话:在更新虚函数表和初始化列表之后,才执行我们显式写在
B::B()
中的代码。
每个类都有一个自己的虚函数表,这在编译时就确定了。如果子类没有实现虚函数,虚函数表里对应位置的函数地址就还是父类的函数地址。
隐晦的错误
从上面我们知道
- 虚函数表中的元素顺序就是函数声明的顺序,这在编译时就固定了。
- 执行虚函数时,只是取了虚函数表中对应偏移的元素(即函数地址)去执行,并没有做符号绑定。这个偏移是由虚函数声明顺序决定的。
基于这两点,如果我们在真正构造B的地方修改了虚函数的声明顺序,就会导致函数调用出错。
简单验证一下,将最开始的那段代码编译为动态库(liba.so),并在main.cpp中调换其函数声明顺序
class A
{
public:
A();
virtual void bar();
virtual void foo();
private:
int a;
};
class B : public A
{
public:
B();
virtual void bar();
virtual void foo();
int b;
};
void bar( A* x )
{
x->foo();
x->bar();
return;
}
int main()
{
B* b = new B;
bar( b );
return 0;
}
上面代码的输出是
B::bar()
B::foo()
与预期结果刚好相反
B::foo()
B::bar()
出现这样错误的原因就是在编译main.cpp时,编译器认为B::foo()
是虚函数表的第二个元素,但实际在liba.so中B::foo()
是虚函数表中的第一个元素。
强烈建议虚函数的声明顺序必须保持一致,而且增加虚函数时,只在尾部增加
结语
了解C++的多态实现后,对于理解其他语言的多态实现也是有益处的,本质都应当是在通过一个中间结构确定实际函数的地址。
除了以上内容外,还有
- 不论是否能通过上下文判断出实际类型,只要是以指针方式调用虚函数,都会以虚函数表跳转的方式来调用函数。
- 在构造函数中调用虚函数,并不会使用多态,而是直接调用函数地址。
这两点通过上面的调试方法很容易就能确认。
gcc version 4.8.5
C++系列总结——多态的更多相关文章
- 【JAVA零基础入门系列】Day13 Java类的继承与多态
继承是类的一个很重要的特性,什么?你连继承都不知道?你是想气死爸爸好继承爸爸的遗产吗?(滑稽) 开个玩笑,这里的继承跟我们现实生活的中继承还是有很大区别的,一个类可以继承另一个类,继承的内容包括属性跟 ...
- 夯实Java基础系列23:一文读懂继承、封装、多态的底层实现原理
本系列文章将整理到我在GitHub上的<Java面试指南>仓库,更多精彩内容请到我的仓库里查看 https://github.com/h2pl/Java-Tutorial 喜欢的话麻烦点下 ...
- iOS开发笔记系列-基础3(多态、动态类型和动态绑定)
多态:相同的名称,不同的类 使不同的类共享相同方法名称的能力成为多态.它让你可以开发一组类,这组类中的每一个类都能响应相同的方法名.每个类的定义都封装了响应特定方法所需要的代码,这使得它独立于其他的类 ...
- [Effective C++系列]-为多态基类声明Virtual析构函数
Declare destructors virtual in polymorphic base classes. [原理] C++指出,当derived class对象经由一个由base clas ...
- 红豆带你从零学C#系列之:初识继承与多态
继承 现实生活当中,人类又可以根据职业分为:教师,学生,理发师,售货员 又比如飞机又有种类之分:直升飞机.客机.货机.战斗机等 在程序里面我们可能会通过创建类来描述这样的事物,比如学生类.教师类.理发 ...
- Java入门系列(三)面向对象三大特性之封装、继承、多态
面向对象综述 封装 封装的意义,在于明确标识出允许外部使用的所有成员函数和数据项,或者叫接口. 有了封装,就可以明确区分内外,使得类实现者可以修改封装内的东西而不影响外部调用者:而外部调用者也可以知道 ...
- 程序基石系列之C++多态的前提条件
准备知识 C++中多态(polymorphism)有下面三个前提条件: 必须存在一个继承体系结构. 继承体系结构中的一些类必须具有同名的virtual成员函数(virtualkeyword) 至少有一 ...
- Java面向对象系列(10)- 什么是多态
多态 即同一方法可以根据发送对象的不同而采取不同的行为方式 一个对象的实际类型是确定的,但可以指向对象的引用类型有很多 多态存在的条件 有继承关系 子类重写父类方法 父类引用指向子类对象 注意:多态是 ...
- 【Java学习系列】第3课--Java 高级教程
本文地址 可以拜读: 从零开始学 Java 分享提纲: 1. Java数据结构 2. Java 集合框架 3. Java泛型 4. Java序列化 5. Java网络编程 6. Java发送Email ...
随机推荐
- Scala 枚举介绍及深入应用
本文详细地总结了Scala枚举的几种实现方式,对我们更好地进行函数式编程有很好地指导和帮助. Scala 枚举示例和特性 枚举(Enumerations)是一种语言特性,对于建模有限的实体集来说特别有 ...
- Hadoop HA高可用集群搭建(Hadoop+Zookeeper+HBase)
声明:作者原创,转载注明出处. 作者:帅气陈吃苹果 一.服务器环境 主机名 IP 用户名 密码 安装目录 master188 192.168.29.188 hadoop hadoop /home/ha ...
- str.方法的整理(字符串类型内置方法的具体使用)
<1>str.strip().str.lstrip()和str.rstrip() 1' str.strip()(主要方法) 方法:str.strip(self,chars) 作用:移除字符 ...
- Vue.js 学习笔记 第3章 计算属性
本篇目录: 3.1 什么是计算属性 3.2 计算属性用法 3.3 计算属性缓存 模板内容的表达式常用语简单的运算,当其过长或逻辑复杂时,会难以维护,本章的计算属性就是用于解决该问题的. 3.1 什么是 ...
- 虹软人脸识别ArcFace2.0 Android SDK使用教程
一.获取SDK 1.进入ArcFace2.0的申请地址 https://ai.arcsoft.com.cn/product/arcface.html 2.填写信息申请并提交 申请通过后即可下载SDK, ...
- Android 个人手机通讯录开发
一.Android 个人手机通讯录开发 数据存储:SQLite 数据库 开发工具:Android Studio 二.Phone Module 简介 1. 界面展示 2. ...
- Python之路【第七篇】:Python装饰器
阅读目录 一.装饰器 1.装饰器的概念 #装饰器定义:本质就是函数,功能是为其他函数添加附加功能 二.装饰器需要遵循的原则 #原则: 1.不修改被修饰函数的源代码 2.不修改被修饰函数的调用方式 装饰 ...
- 【English EMail】2019 Q2 Public Holiday Announcement
Hi all, According to 2019 public holiday announcement released by Chinese government, this is to ann ...
- 使用 Node.js 搭建 Web 服务器
使用Node.js搭建Web服务器是学习Node.js比较全面的入门教程,因为实现Web服务器需要用到几个比较重要的模块:http模块.文件系统.url解析模块.路径解析模块.以及301重定向技术等, ...
- Java Thread.join的作用和原理
很多人对Thread.join的作用以及实现了解得很少,毕竟这个api我们很少使用.这篇文章仍然会结合使用及原理进行深度分析 内容导航 Thread.join的作用 Thread.join的实现原理 ...