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多態(tài)(Polymorphism)是面向?qū)ο蟮暮诵母拍睿疚囊訡++為例，討論多態(tài)的具體實(shí)現(xiàn)。C++中多態(tài)可以分為基于繼承和虛函數(shù)的動(dòng)態(tài)多態(tài)以及基于模板的靜態(tài)多態(tài)，如果沒(méi)有特別指明，本文中出現(xiàn)的多態(tài)都是指前者，也就是基于繼承和虛函數(shù)的動(dòng)態(tài)多態(tài)。至于什么是多態(tài)，在面向?qū)ο笾腥绾问褂枚鄳B(tài)，使用多態(tài)的好處等等問(wèn)題，如果大家感興趣的話，可以找本面向?qū)ο蟮臅?shū)來(lái)看看。
為了方便說(shuō)明，下面舉一個(gè)簡(jiǎn)單的使用多態(tài)的例子(From [1] )：
class Shape
{
protected:
int m_x; // X coordinate
int m_y; // Y coordinate
public:
// Pure virtual function for drawing
virtual void Draw() = 0;
// A regular virtual function
virtual void MoveTo(int newX, int newY);
// Regular method, not overridable.
void Erase();
// Constructor for Shape
Shape(int x, int y);
// Virtual destructor for Shape
virtual ~Shape();
};
// Circle class declaration
class Circle : public Shape
{
private:
int m_radius; // Radius of the circle
public:
// Override to draw a circle
virtual void Draw();
// Constructor for Circle
Circle(int x, int y, int radius);
// Destructor for Circle
virtual ~Circle();
};
// Shape constructor implementation
Shape::Shape(int x, int y)
{
m_x = x;
m_y = y;
}
// Shape destructor implementation
Shape::~Shape()
{
//...
}
// Circle constructor implementation
Circle::Circle(int x, int y, int radius) : Shape (x, y)
{
m_radius = radius;
}
// Circle destructor implementation
Circle::~Circle()
{
//...
}
// Circle override of the pure virtual Draw method.
void Circle::Draw()
{
glib_draw_circle(m_x, m_y, m_radius);
}
main()
{
// Define a circle with a center at (50,100) and a radius of 25
Shape *pShape = new Circle(50, 100, 25);
// Define a circle with a center at (5,5) and a radius of 2
Circle aCircle(5,5, 2);
// Various operations on a Circle via a Shape pointer
//Polymorphism
pShape->Draw();
pShape->MoveTo(100, 100);
pShape->Erase();
delete pShape;
// Invoking the Draw method directly
aCircle.Draw();
}
例子中使用到多態(tài)的代碼以黑體標(biāo)出了，它們一個(gè)很明顯的特征就是通過(guò)一個(gè)基類的指針（或者引用）來(lái)調(diào)用不同子類的方法。
那么，現(xiàn)在的問(wèn)題是，這個(gè)功能是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？我們可以先來(lái)大概猜測(cè)一下：對(duì)于一般的方法調(diào)用，到了匯編代碼這一層次的時(shí)候，一般都是使用 Call funcaddr 這樣的指令進(jìn)行調(diào)用，其中funcaddr是要調(diào)用函數(shù)的地址。按理來(lái)說(shuō)，當(dāng)我使用指針pShape來(lái)調(diào)用Draw的時(shí)候，編譯器應(yīng)該將Shape::Draw的地址賦給funcaddr，然后Call 指令就可以直接調(diào)用Shape::Draw了，這就跟用pShape來(lái)調(diào)用Shape::Erase一樣。但是，運(yùn)行結(jié)果卻告訴我們，編譯器賦給funcaddr的值卻是Circle::Drawde的值。這就說(shuō)明，編譯器在對(duì)待Draw方法和Erase方法時(shí)使用了雙重標(biāo)準(zhǔn)。那么究竟是誰(shuí)有這么大的法力，使編譯器這個(gè)鐵面無(wú)私的判官都要另眼相看呢？virtual！！
Clever！！正是virtual這個(gè)關(guān)鍵字一手導(dǎo)演了這一出“乾坤大挪移”的好戲。說(shuō)道這里，我們先要明確兩個(gè)概念：靜態(tài)綁定和動(dòng)態(tài)綁定。
1、靜態(tài)綁定（static bingding），也叫早期綁定，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是編譯器在編譯期間就明確知道所要調(diào)用的方法，并將該方法的地址賦給了Call指令的funcaddr。因此，運(yùn)行期間直接使用Call指令就可調(diào)用到相應(yīng)的方法。
2、動(dòng)態(tài)綁定（dynamic binding），也叫晚期綁定，與靜態(tài)綁定不同，在編譯期間，編譯器并不能明確知道究竟要調(diào)用的是哪一個(gè)方法，而這，要知道運(yùn)行期間使用的具體是哪個(gè)對(duì)象才能決定。
好了，有了這兩個(gè)概念以后，我們就可以說(shuō)，virtual的作用就是告訴編譯器：我要進(jìn)行動(dòng)態(tài)綁定！編譯器當(dāng)然會(huì)尊重你的意見(jiàn)，而且為了完成你這個(gè)要求，編譯器還要做很多的事情：編譯器自動(dòng)在聲明了virtual方法的類中插入一個(gè)指針vptr和一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)VTable（vptr用以指向VTable；VTable是一個(gè)指針數(shù)組，里面存放著函數(shù)的地址），并保證二者遵守下面的規(guī)則：
1、VTable中只能存放聲明為virtual的方法，其它方法不能存放在里面。在上面的例子中，Shape的VTable中就只有Draw，MoveTo和~Shape。方法Erase的地址并不能存放在VTable中。此外，如果方法是純虛函數(shù)，如 Draw，那么同樣要在VTable中保留相應(yīng)的位置，但是由于純虛函數(shù)沒(méi)有函數(shù)體，因此該位置中并不存放Draw的地址，而是可以選擇存放一個(gè)出錯(cuò)處理的函數(shù)的地址，當(dāng)該位置被意外調(diào)用時(shí)，可以用出錯(cuò)函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
2、派生類的VTalbe中記錄的從基類中繼承下來(lái)的虛函數(shù)地址的索引號(hào)必須跟該虛函數(shù)在基類VTable中的索引號(hào)保持一致。如在上例中，如果在Shape的VTalbe中，Draw為 1 號(hào)， MoveTo 2 號(hào)，~Shape為 3 號(hào)，那么，不管這些方法在Circle中是按照什么順序定義的，Circle的VTable中都必須保證Draw為 1 號(hào)，MoveTo為 2號(hào)。至于 3號(hào)，這里是~Circle。為什么不是~Shape啊？嘿嘿，忘啦，析構(gòu)函數(shù)不會(huì)繼承的。
3、vptr是由編譯器自動(dòng)插入生成的，因此編譯器必須負(fù)責(zé)為其進(jìn)行初始化。初始化的時(shí)間選在對(duì)象創(chuàng)建時(shí)，而地點(diǎn)就在構(gòu)造函數(shù)中。因此，編譯器必須保證每個(gè)類至少有一個(gè)構(gòu)造函數(shù)，若沒(méi)有，自動(dòng)為其生成一個(gè)默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)。
4、vptr通常放在對(duì)象的起始處，也就是Addr(obj) == Addr(obj.vptr)。
你看，天下果然沒(méi)有免費(fèi)的午餐，為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)綁定，編譯器要為我們默默干了這么多的臟話累活。如果你想體驗(yàn)一下編譯器的辛勞，那么可以嘗試用C語(yǔ)言模擬一下上面的行為，【1】中就有這么一個(gè)例子。好了，現(xiàn)在萬(wàn)事具備，只欠東風(fēng)了。編譯，連接，載入，GO！當(dāng)程序執(zhí)行到 pShape->Draw()的時(shí)候，上面的設(shè)施也開(kāi)始起作用了。。
前面已經(jīng)提到，晚期綁定時(shí)之所以不能確定調(diào)用哪個(gè)函數(shù)，是因?yàn)榫唧w的對(duì)象不確定。好了，當(dāng)運(yùn)行到pShape->Draw()時(shí)，對(duì)象出來(lái)了，它由pShape指針標(biāo)出。我們找到這個(gè)對(duì)象后，就可以找到它里面的vptr（在對(duì)象的起始處），有了vptr后，我們就找到了VTable，調(diào)用的函數(shù)就在眼前了。。等等，VTable中方法那么多，我究竟使用哪個(gè)呢？不用著急，編譯器早已為我們做好了記錄：編譯器在創(chuàng)建VTable時(shí)，已經(jīng)為每個(gè)virtual函數(shù)安排好了座次，并且把這個(gè)索引號(hào)記錄了下來(lái)。因此，當(dāng)編譯器解析到pShape->Draw()的時(shí)候，它已經(jīng)悄悄的將函數(shù)的名字用索引號(hào)來(lái)代替了。這時(shí)候，我們通過(guò)這個(gè)索引號(hào)就可以在VTable中得到一個(gè)函數(shù)地址，Call it！
在這里，我們就體會(huì)到為什么會(huì)有第二條規(guī)定了，通常，我們都是用基類的指針來(lái)引用派生類的對(duì)象，但是不管具體對(duì)象是哪個(gè)派生類的，我們都可以使用相同的索引號(hào)來(lái)取得對(duì)應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)實(shí)中有一個(gè)例子其實(shí)跟這個(gè)蠻像的：報(bào)警電話有110，119，120（VTable中不同的方法）。不同地方的人撥打不同的號(hào)碼所產(chǎn)生的結(jié)果都是不一樣的。譬如，在三環(huán)外的一個(gè)人（具體對(duì)象）跟一環(huán)內(nèi)的一個(gè)人（另外一個(gè)具體對(duì)象）打119，最后調(diào)用的消防隊(duì)肯定是不一樣的，這就是多態(tài)了。這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢，每個(gè)人都知道一個(gè)報(bào)警中心（VTable，里面有三個(gè)方法 110，119，120）。如果三環(huán)外的一個(gè)人需要火警搶險(xiǎn)（一個(gè)具體對(duì)象）時(shí)，它就撥打119，但是他肯定不知道最后是哪一個(gè)消防隊(duì)會(huì)出現(xiàn)的。這得有報(bào)警中心來(lái)決定，報(bào)警中心通過(guò)這個(gè)具體對(duì)象（例子中就是具體位置了）以及他說(shuō)撥打的電話號(hào)碼（可以理解成索引號(hào)），報(bào)警中心可以確定應(yīng)該調(diào)度哪一個(gè)消防隊(duì)進(jìn)行搶險(xiǎn)（不同的動(dòng)作）。
這樣，通過(guò)vptr和VTable的幫助，我們就實(shí)現(xiàn)了C++的動(dòng)態(tài)綁定。當(dāng)然，這僅僅是單繼承時(shí)的情況，多重繼承的處理要相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)，下面簡(jiǎn)要說(shuō)一下最簡(jiǎn)單的多重繼承的情況，至于虛繼承的情況，有興趣的朋友可以看看 Lippman的《Inside the C++ Object Model》，這里暫時(shí)就不展開(kāi)了。（主要是自己還沒(méi)搞清楚，況且現(xiàn)在多重繼承都不怎么使用了，虛繼承應(yīng)用的機(jī)會(huì)就更少了）
首先，我要先說(shuō)一下多重繼承下對(duì)象的內(nèi)存布局，也就是說(shuō)該對(duì)象是如何存放本身的數(shù)據(jù)的。
class Cute
{
public:
int i;
virtual void cute(){ cout<<"Cute cute"<<endl; }
};
class Pet
{
public:
int j;
virtual void say(){ cout<<"Pet say"<<endl; }
};
class Dog : public Cute,public Pet
{
public:
int z;
void cute(){ cout<<"Dog cute"<<endl; }
void say(){ cout<<"Dog say"<<endl; }
};
在上面這個(gè)例子中，一個(gè)Dog對(duì)象在內(nèi)存中的布局如下所示：
|
Dog
|
|
Vptr1
|
|
Cute::i
|
|
Vptr2
|
|
Pet::j
|
|
Dog::z
|
也就是說(shuō)，在Dog對(duì)象中，會(huì)存在兩個(gè)vptr,每一個(gè)跟所繼承的父類相對(duì)應(yīng)。如果我們要想實(shí)現(xiàn)多態(tài)，就必須在對(duì)象中準(zhǔn)確地找到相應(yīng)的vptr，以調(diào)用不同的方法。但是，如果根據(jù)單繼承時(shí)的邏輯，也就是vptr放在指針指向位置的起始處，那么，要在多重繼承情況下實(shí)現(xiàn)，我們必須保證在將一個(gè)派生類的指針隱式或者顯式地轉(zhuǎn)換成一個(gè)父類的指針時(shí)，得到的結(jié)果指向相應(yīng)派生類數(shù)據(jù)在Dog對(duì)象中的起始位置。幸好，這工作編譯器已經(jīng)幫我們完成了。上面的例子中，如果Dog向上轉(zhuǎn)換成Pet的話，編譯器會(huì)自動(dòng)計(jì)算Pet數(shù)據(jù)在Dog對(duì)象中的偏移量，該偏移量加上Dog對(duì)象的起始位置，就是Pet數(shù)據(jù)的實(shí)際地址了。
int main()
{
Dog* d = new Dog();
cout<<"Dog object addr : "<<d<<endl;
Cute* c = d;
cout<<"Cute type addr : "<<c<<endl;
Pet* p = d;
cout<<"Pet type addr : "<<p<<endl;
delete d;
}
output:
Dog object addr : 0x3d24b0
Cute type addr : 0x3d24b0
Pet type addr : 0x3d24b8 // 正好指向Dog對(duì)象的vptr2處，也就是Pet的數(shù)據(jù)
好了，既然編譯器幫我們自動(dòng)完成了不同父類的地址轉(zhuǎn)換，我們調(diào)用虛函數(shù)的過(guò)程也就跟單繼承統(tǒng)一起來(lái)了：通過(guò)具體對(duì)象，找到vptr（通常指針的起始位置，因此Cute找到的是vptr1，而Pet找到的是vptr2），通過(guò)vptr，我們找到VTable，然后根據(jù)編譯時(shí)得到的VTable索引號(hào)，我們?nèi)〉孟鄳?yīng)的函數(shù)地址，接著就可以馬上調(diào)用了。
在這里，順便也提一下兩個(gè)特殊的方法在多態(tài)中的特別之處吧：第一個(gè)是構(gòu)造函數(shù)，在構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用虛函數(shù)是不會(huì)有多態(tài)行為的，例子如下：
class Pet
{
public:
Pet(){ sayHello(); }
void say(){ sayHello(); }
virtual void sayHello()
{
cout<<"Pet sayHello"<<endl;
}
};
class Dog : public Pet
{
public:
Dog(){};
void sayHello()
{
cout<<"Dog sayHello"<<endl;
}
};
int main()
{
Pet* p = new Dog();
p->sayHello();
delete p;
}
output:
Pet sayHello //直接調(diào)用的是Pet的sayHello()
Dog sayHello //多態(tài)
第二個(gè)就是析構(gòu)函數(shù)，使用多態(tài)的時(shí)候，我們經(jīng)常使用基類的指針來(lái)引用派生類的對(duì)象，如果是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的，對(duì)象使用完后，我們使用delete來(lái)釋放對(duì)象。但是，如果我們不注意的話，會(huì)有意想不到的情況發(fā)生。
class Pet
{
public:
~Pet(){ cout<<"Pet destructor"<<endl; }
//virtual ~Pet(){ cout<<"Pet virtual destructor"<<endl; }
};
class Dog : public Pet
{
public:
~Dog(){ cout<<"Dog destructor"<<endl;};
//virtual ~Dog(){ cout<<"Dog virtual destructor"<<endl; }
};
int main()
{
Pet* p = new Dog();
delete p;
}
output：
Pet destructor //糟了，Dog的析構(gòu)函數(shù)沒(méi)有調(diào)用，memory leak!
如果我們將析構(gòu)函數(shù)改成virtual以后，結(jié)果如下
Dog virtual destructor
Pet virtual destructor // That's OK!
所以，如果一個(gè)類設(shè)計(jì)用來(lái)被繼承的話，那么它的析構(gòu)函數(shù)應(yīng)該被聲明為virtual的。
Reference:
[1] Comparing C++ and C (Inheritance and Virtual Functions)
[2] C++對(duì)象布局及多態(tài)實(shí)現(xiàn)的探索
[3] Multiple inheritance and the this pointer 講述多重繼承下的類型轉(zhuǎn)換問(wèn)題
[4] Memory Layout for Multiple and Virtual Inheritance 詳細(xì)描述了多重菱形多重繼承下的對(duì)象內(nèi)存布局以及類型轉(zhuǎn)換
后記：當(dāng)我完成了本篇%90的時(shí)候，我試圖提交，誰(shuí)知道登陸太久沒(méi)有動(dòng)作，session超時(shí)，讓我重新登陸，然后提交的內(nèi)容就全部不見(jiàn)了，剩下最開(kāi)始的%10。。。。當(dāng)時(shí)的心情啊，用呂大哥的話來(lái)說(shuō)就是：尋死的心都有了。