[c++] C++多态（虚函数和虚继承）

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面向对象的三大特性是封装、继承和多态。多态是非常重要的一个特性，C++多态基于虚函数和虚继承实现，本文将完整挖掘C++多态的应用、实现和内存分布。

多态的引入

重点：早绑定与运行时绑定

C++继承可以让子类继承另基类所包含的属性和方法，有时，子类虽继承了基类，却有些方法存在自己的实现。我们看下面这样一个例子，两个类动物（Animal）和人（Human）。Human继承了Animal，Animal有呼吸方法，Human也有呼吸方法。代码如下：

 #include <iostream>

 using namespace std;

 class Animal {
 public:
     char *name;
     void breathe() {
         cout << "Animal breathe" << endl;
     }
     virtual void eat() {
         cout << "Animal eat" << endl;
     }
 };

 class Human: public Animal {
 public:
     int race;
     void breathe() {
         cout << "Human breathe" << endl;
     }
     void eat() {
         cout << "Human eat" << endl;
     }
 };

 int main(void) {
     // 用实例调用
     Animal a;
     Human h;
     a.breathe();
     a.eat();
     h.breathe();
     h.eat();

     cout << endl;

     // 用基类指针调用
     Animal *aPtr = NULL;
     aPtr = &a;
     aPtr->breathe();
     aPtr->eat();
     aPtr = &h;
     aPtr->breathe();
     aPtr->eat();
     return ;
 }

输出的结果是:

 Animal breathe
 Animal eat
 Human breathe
 Human eat

 Animal breathe
 Animal eat
 Animal breathe
 Human eat

首先我们对一个Animal实例和一个Human实例分别调用breathe方法和eat方法，结果如我们所想要的，各自调用了各自的实现。

但我们知道，基类的指针可以指向子类，因为有时候我们为了让代码更通用，会用一个更通用的基类指针来指向不同的实例。在例子中，我们发现，对breathe方法，基类指针并没有调用具体实例所属Human类的实现，两次输出都是“Animal breathe”，而对eat方法，基类指针调用了所指向的实例所属Human类的实现，两次输出分布是“Animal eat”和“Human eat”。这就是引入虚函数的基本情况。

对于没有声明被声明成虚函数的方法，比如这里的breathe，代码中对于breathe方法的调用在编译时就已经被绑定了实现，绑定的是基类的实现，此为早绑定。

对于被声明成虚函数的方法，比如这里的eat，代码中对于eat方法的调用是在程序运行时才去绑定的，而这里的基类指针指向了一个Human类的实例，它会调用Human类的eat方法实现。

那么它是如何做到调用具体类的实现而非基类的实现呢？

虚函数表

我们来观察一下类的内存分布，大部分编译器都提供了查看C++代码中类内存分布的工具，在Visual Studio中，右击项目，在属性（Properties）-> C/C++ -> 命令行（Command Line）-> 附加选项（Additional Options）中输入/d1 reportAllClassLayout即可在输出窗口中查看类的内存分布。对于上述代码中的Animal类和Human类，内存的分布如下：

>  class Animal    size():
>      +---
>     | {vfptr}
>     | name
>      +---
>
>  Animal::$vftable@:
>      | &Animal_meta
>      |
>     | &Animal::eat
>
>  class Human size():
>      +---
>     | +--- (base class Animal)
>     | | {vfptr}
>     | | name
>      | +---
>     | race
>      +---
>
>  Human::$vftable@:
>      | &Human_meta
>      |
>     | &Human::eat

对于有虚函数的类，它在类内存的开始有一个指针指向虚函数表，虚函数表中包含了基类中以virtual修饰的所有虚函数。

在基类Animal中，虚函数表中的eat指向的是Animal::eat，而在子类Human中，虚函数表中的eat指向的是Human::eat，因而在使用基类指针调用实例方法时，会调用虚函数表中的函数，也就是具体实例所属类的实现。

几种常见继承关系中的类内存分布

单继承

我们来研究如下单继承的例子，Animal类是Human类的基类，Human类是Asian类的基类。在Animal类中，breathe是一个普通方法，而eat是声明为虚函数的方法。在Human类中，breathe是声明成虚函数的方法，eat是一个普通方法。在Asian类中，breathe和eat都是普通方法。类的定义代码如下：

 #include <iostream>

 using namespace std;

 class Animal {
 public:
     char *name;
     void breathe() {
         cout << "Animal breathe" << endl;
     }
     virtual void eat() {
         cout << "Animal eat" << endl;
     }
 };

 class Human: public Animal {
 public:
     int race;
     virtual void breathe() {
         cout << "Human breathe" << endl;
     }
     void eat() {
         cout << "Human eat" << endl;
     }
 };

 class Asian : public Human {
 public:
     int country;
     void breathe() {
         cout << "Asian breathe" << endl;
     }
     void eat() {
         cout << "Asian eat" << endl;
     }
 };

 int main(void) {
     Animal animal;
     Human human;
     Asian asian;

     Animal *anPtr = NULL;
     Human *hmPtr = NULL;
     Asian *asPtr = NULL;

     cout << "用Animal指针调用human和asian实例" << endl;
     anPtr = &human;
     anPtr->breathe();
     anPtr->eat();
     anPtr = &asian;
     anPtr->breathe();
     anPtr->eat();

     cout << endl;
     cout << "用Human指针调用asian实例" << endl;
     hmPtr = &asian;
     hmPtr->breathe();
     hmPtr->eat();

     return ;
 }

运行的结果如下：

用Animal指针调用human和asian实例
Animal breathe
Human eat
Animal breathe
Asian eat

用Human指针调用asian实例
Asian breathe
Asian eat

编译器显示的内存分布如下：

>  class Animal    size():
>      +---
>     | {vfptr}
>     | name
>      +---
>
>  Animal::$vftable@:
>      | &Animal_meta
>      |
>     | &Animal::eat
>
>  class Human size():
>      +---
>     | +--- (base class Animal)
>     | | {vfptr}
>     | | name
>      | +---
>     | race
>      +---
>
>  Human::$vftable@:
>      | &Human_meta
>      |
>     | &Human::eat
>     | &Human::breathe
>
>  class Asian size():
>      +---
>     | +--- (base class Human)
>     | | +--- (base class Animal)
>     | | | {vfptr}
>     | | | name
>      | | +---
>     | | race
>      | +---
>    | country
>      +---
>
>  Asian::$vftable@:
>      | &Asian_meta
>      |
>     | &Asian::eat
>     | &Asian::breathe

有上面的内存分布可以看出：

1. 一个类中的某个方法被声明为虚函数，则它将放在虚函数表中。
2. 当一个类继承了另一个类，就会继承它的虚函数表，虚函数表中所包含的函数，如果在子类中有重写，则指向当前重写的实现，否则指向基类实现。若在子类中定义了新的虚函数，则该虚函数指针在虚函数表的后面（如Human类中的breathe，在eat的后面）。
3. 在继承或多级继承中，要用一个祖先类的指针调用一个后代类实例的方法，若想体现出多态，则必须在该祖先类中就将需要的方法声明为虚函数，否则虽然后代类的虚函数表中有这个方法在后代类中的实现，但对祖先类指针的方法调用依然是早绑定的。（如用Animal指针调用Asian实例中的breathe方法，虽然在Human类中已经将breathe声明为虚函数，依然无法调用Asian类中breathe的实现，但用Human指针调用Asian实例中的breathe方法就可以）。

多继承

现在假设这样一个例子，有LandAnimal（陆生动物）类和Mammal（哺乳动物）类，它们都有breathe和eat方法，都被声明成虚函数。Human类继承了LandAnimal类和Mammal类，同时Human类重写了eat方法。代码如下：

 #include <iostream>

 using namespace std;

 class LandAnimal {
 public:
     int numLegs;
     virtual void run() {
         cout << "Land animal run" << endl;
     }
 };

 class Mammal {
 public:
     int numBreasts;
     virtual void milk() {
         cout << "Mammal milk" << endl;
     }
 };

 class Human: public Mammal, public LandAnimal {
 public:
     int race;
     void milk() {
         cout << "Human milk" << endl;;
     }
     void run() {
         cout << "Human run" << endl;
     }
     void eat() {
         cout << "Human eat" << endl;
     }
 };

 int main(void) {
     Human human;

     cout << "用LandAnimal指针调用human实例的方法" << endl;
     LandAnimal *laPtr = NULL;
     laPtr = &human;
     laPtr->run();

     cout << "用Mammal指针调用human实例的方法" << endl;
     Mammal *mPtr = NULL;
     mPtr = &human;
     mPtr->milk();

     return ;
 }

运行的结果如下，可以看出，对于重写了的milk和run方法，通过基类指针的调用会指向实例所属类的实现：

用LandAnimal指针调用human实例的方法
Human run
用Mammal指针调用human实例的方法
Human milk

类的内存结构如下：

>  class LandAnimal    size():
>      +---
>     | {vfptr}
>     | numLegs
>      +---
>
>  LandAnimal::$vftable@:
>      | &LandAnimal_meta
>      |
>     | &LandAnimal::run
>
>  class Mammal    size():
>      +---
>     | {vfptr}
>     | numBreasts
>      +---
>
>  Mammal::$vftable@:
>      | &Mammal_meta
>      |
>     | &Mammal::milk
>
>  class Human size():
>      +---
>     | +--- (base class Mammal)
>     | | {vfptr}
>     | | numBreasts
>      | +---
>     | +--- (base class LandAnimal)
>     | | {vfptr}
>    | | numLegs
>      | +---
>    | race
>      +---
>
>  Human::$vftable@Mammal@:
>      | &Human_meta
>      |
>     | &Human::milk
>
>  Human::$vftable@LandAnimal@:
>      | -
>     | &Human::run

可见，对于多继承的情况，子类会包含多个基类的内存结构，包括多个虚函数表，若子类中重写了基类种被定义为虚函数的方法，则虚函数表中的函数指针指向子类的实现，否则指向基类的实现。

菱形继承

Animal

Mammal        LandAnimal

Human

 #include <iostream>

 using namespace std;

 class Animal {
 public:
     int name;
     virtual void breathe() {
         cout << "Animal breathe" << endl;
     }
 };

 class LandAnimal: public Animal {
 public:
     int numLegs;
     virtual void run() {
         cout << "Land animal run" << endl;
     }
 };

 class Mammal: public Animal {
 public:
     int numBreasts;
     virtual void milk() {
         cout << "Mammal milk" << endl;
     }
 };

 class Human: public Mammal, public LandAnimal {
 public:
     int race;
     void milk() {
         cout << "Human milk" << endl;
     }
     void run() {
         cout << "Human run" << endl;
     }
     void eat() {
         cout << "Human eat" << endl;
     }
 };

 int main(void) {
     Human human;

     cout << "用LandAnimal指针调用Human实例的方法" << endl;
     LandAnimal *laPtr = NULL;
     laPtr = &human;
     laPtr->run();

     cout << "用Mammal指针调用Human实例的方法" << endl;
     Mammal *mPtr = NULL;
     mPtr = &human;
     mPtr->milk();

     cout << "用Animal指针调用Human实例的方法" << endl;
     Animal *aPtr = NULL;
     aPtr = &human; // error: base class "Animal" is ambiguous

     return ;
 }

则当我们让Animal指针指向human实例时，IDE会报错。因为Human类同时继承了LandAnimal类和Mammal类。此时的内存结构如下：

>  Animal::$vftable@:
>      | &Animal_meta
>      |
>     | &Animal::breathe
>
>  class LandAnimal    size():
>      +---
>     | +--- (base class Animal)
>     | | {vfptr}
>     | | name
>      | +---
>     | numLegs
>      +---
>
>  LandAnimal::$vftable@:
>      | &LandAnimal_meta
>      |
>     | &Animal::breathe
>     | &LandAnimal::run
>
>  class Mammal    size():
>      +---
>     | +--- (base class Animal)
>     | | {vfptr}
>     | | name
>      | +---
>     | numBreasts
>      +---
>
>  Mammal::$vftable@:
>      | &Mammal_meta
>      |
>     | &Animal::breathe
>     | &Mammal::milk
>
>  class Human size():
>      +---
>     | +--- (base class Mammal)
>     | | +--- (base class Animal)
>     | | | {vfptr}
>     | | | name
>      | | +---
>     | | numBreasts
>      | +---
>    | +--- (base class LandAnimal)
>    | | +--- (base class Animal)
>    | | | {vfptr}
>    | | | name
>      | | +---
>    | | numLegs
>      | +---
>    | race
>      +---
>
>  Human::$vftable@Mammal@:
>      | &Human_meta
>      |
>     | &Animal::breathe
>     | &Human::milk
>
>  Human::$vftable@LandAnimal@:
>      | -
>     | &Animal::breathe
>     | &Human::run

Human类包含了Mammal类和LandAnimal类的内存结构，而Mammal类和LandAnimal类都继承自Animal类，它们的一些成员变量和方法是相同的。

如果用Animal指针指向Human类的实例，则对于共同的成员变量和方法，编译器无法判断是要使用Mammal类中的还是使用LandAnimal类中的。于是报上面的错误。

虚继承

重点：虚基类指针，仅保留一份基类的内存结构，避免冲突。

这时，我们需要用到虚继承。我们在继承的时候，加上virutal关键字，使LandAnimal类和Mammal类虚继承Animal类，代码如下:

 #include <iostream>

 using namespace std;

 class Animal {
 public:
     int name;
     virtual void breathe() {
         cout << "Animal breathe" << endl;
     }
 };

 class LandAnimal: virtual public Animal {
 public:
     int numLegs;
     virtual void run() {
         cout << "Land animal run" << endl;
     }
 };

 class Mammal: virtual public Animal {
 public:
     int numBreasts;
     virtual void milk() {
         cout << "Mammal milk" << endl;
     }
 };

 class Human: public Mammal, public LandAnimal {
 public:
     int race;
     void breathe() {
         cout << "Human breathe" << endl;
     }
     void milk() {
         cout << "Human milk" << endl;
     }
     void run() {
         cout << "Human run" << endl;
     }
     void eat() {
         cout << "Human eat" << endl;
     }
 };

 int main(void) {
     Human human;

     cout << "用LandAnimal指针调用Human实例的方法" << endl;
     LandAnimal *laPtr = NULL;
     laPtr = &human;
     laPtr->run();

     cout << "用Mammal指针调用Human实例的方法" << endl;
     Mammal *mPtr = NULL;
     mPtr = &human;
     mPtr->milk();

     cout << "用Animal指针调用Human实例的方法" << endl;
     Animal *aPtr = NULL;
     aPtr = &human;
     aPtr->breathe();

     return ;
 }

运行结果如下：

用LandAnimal指针调用Human实例的方法
Human run
用Mammal指针调用Human实例的方法
Human milk
用Animal指针调用Human实例的方法
Human breathe

此时，Animal指针可以指向Human类的实例，并调用Human类中breathe方法的实现。我们查看此时的内存结构，如下：

>  class Animal    size():
>      +---
>     | {vfptr}
>     | name
>      +---
>
>  Animal::$vftable@:
>      | &Animal_meta
>      |
>     | &Animal::breathe
>
>  class LandAnimal    size():
>      +---
>     | {vfptr}
>     | {vbptr}
>     | numLegs
>      +---
>      +--- (virtual base Animal)
>    | {vfptr}
>    | name
>      +---
>
>  LandAnimal::$vftable@LandAnimal@:
>      | &LandAnimal_meta
>      |
>     | &LandAnimal::run
>
>  LandAnimal::$vbtable@:
>     | -
>     |  (LandAnimald(LandAnimal+)Animal)
>
>  LandAnimal::$vftable@Animal@:
>      | -
>     | &Animal::breathe
>
>  class Mammal    size():
>      +---
>     | {vfptr}
>     | {vbptr}
>     | numBreasts
>      +---
>      +--- (virtual base Animal)
>    | {vfptr}
>    | name
>      +---
>
>  Mammal::$vftable@Mammal@:
>      | &Mammal_meta
>      |
>     | &Mammal::milk
>
>  Mammal::$vbtable@:
>     | -
>     |  (Mammald(Mammal+)Animal)
>
>  Mammal::$vftable@Animal@:
>      | -
>     | &Animal::breathe
>
>  class Human size():
>      +---
>     | +--- (base class Mammal)
>     | | {vfptr}
>     | | {vbptr}
>     | | numBreasts
>      | +---
>    | +--- (base class LandAnimal)
>    | | {vfptr}
>    | | {vbptr}
>    | | numLegs
>      | +---
>    | race
>      +---
>      +--- (virtual base Animal)
>    | {vfptr}
>    | name
>      +---
>
>  Human::$vftable@Mammal@:
>      | &Human_meta
>      |
>     | &Human::milk
>
>  Human::$vftable@LandAnimal@:
>      | -
>     | &Human::run
>
>  Human::$vbtable@Mammal@:
>     | -
>     |  (Humand(Mammal+)Animal)
>
>  Human::$vbtable@LandAnimal@:
>     | -
>     |  (Humand(LandAnimal+)Animal)
>
>  Human::$vftable@Animal@:
>      | -
>     | &Human::breathe

我们可以观察到，一个子类虚继承自另一个基类，它不再像普通继承那样直接拥有一份基类的内存结构，而是加了一个虚表指针vbptr指向虚基类，这个虚基类在msvc中被放在的类的内存空间的最后。这样，当出现类似这里的菱形继承时，基类Animal在子类Human中出现一次，子类Human所包含的Mammal类和LandAnimal类各有一个虚基类指向虚基类。从而避免了菱形继承时的冲突。

总结

总之，C++多态的核心，就是用一个更通用的基类指针指向不同的子类实例，为了能调用正确的方法，我们需要用到虚函数和虚继承。在内存中，通过虚函数表来实现子类方法的正确调用，通过虚基类指针，仅保留一份基类的内存结构，避免冲突。

所谓虚，就是把“直接”的东西变“间接”。成员函数原先是由静态的成员函数指针来定义的，而虚函数则是由一个虚函数表来指向真正的函数指针，从而达到在运行时，间接地确定想要的函数实现。继承原先是直接将基类的内存空间拷贝一份来实现的，而虚继承则用一个虚基类指针来指向虚基类，避免基类的重复。