C++中的动态绑定

来源：互联网发布：抗日知乎编辑：程序博客网时间：2024/06/05 12:39

动态绑定(dynamic binding)：动态绑定是指在执行期间（非编译期）判断所引用对象的实际类型，根据其实际的类型调用其相应的方法。

C++中，通过基类的引用或指针调用虚函数时，发生动态绑定。引用（或指针）既可以指向基类对象也可以指向派生类对象，这一事实是动态绑定的关键。用引用（或指针）调用的虚函数在运行时确定，被调用的函数是引用（或指针）所指对象的实际类型所定义的。

联编：联编是指一个计算机程序自身彼此关联的过程,在这个联编过程中,需要确定程序中的操作调用(函数调用)与执行该操作(函数)的代码段之间的映射关系;按照联编所进行的阶段不同,可分为静态联编和动态联编;

静态联编：是指联编工作是在程序编译连接阶段进行的,这种联编又称为早期联编;因为这种联编是在程序开始运行之前完成的;在程序编译阶段进行的这种联编又称静态束定;在编译时就解决了程序中的操作调用与执行该操作代码间的关系,确定这种关系又被称为束定;编译时束定又称为静态束定;

动态联编：编译程序在编译阶段并不能确切地知道将要调用的函数,只有在程序执行时才能确定将要调用的函数,为此要确切地知道将要调用的函数,要求联编工作在程序运行时进行,这种在程序运行时进行的联编工作被称为动态联编,或动态束定,又叫晚期联编;C++规定:动态联编是在虚函数的支持下实现的;

静态联编和动态联编都是属于多态性的,它们是在不同的阶段进对不同的实现进行不同的选择。

1 虚函数表

C++中动态绑定是通过虚函数实现的。而虚函数是通过一张虚函数表（virtual table）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。

先说这个虚函数表。据说在C++的标准规格说明书中说到，编译器必需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）。这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。

假设有如下基类：

[cpp] view plaincopyprint?
class Base  
{  
public:  
    virtual void f(){cout<<"Base::f"<<endl;}  
    virtual void g(){cout<<"Base::g"<<endl;}  
    virtual void h(){cout<<"Base::h"<<endl;}  
};  

按照上面的说法，写代码验证：

[cpp] view plaincopyprint?
void t1()  
{  
    typedef void (*pFun)(void);  
    Base b;  
    pFun pf=0;  
    int * p = (int*)(&b);///强制转换为int*，这样就取得  
    ///b的vptr的地址  
    cout<<"VTable addr: "<<p<<endl;  
    int *q;  
    q=(int*)*p;///*p取得vtable，强转为int*，  
    ///取得指向第一个函数地址的指针q  
    cout<<"virtual table addr: "<<q<<endl;  
    pf = (pFun)*q;///对指针解引用，取得函数地址  
    cout<<"first virtual fun addr: "<<(int*)(*q)<<endl;  
    pf();///invoke  
}  

运行结果：

运行环境为：

/************************

* g++ (GCC) 4.6.2

* Win7 x64

* Code::Blocks 12.11

************************/

其他环境没有测试，下同。

按照同样的方法，继续调用g()和h()，只要移动指针即可：

[cpp] view plaincopyprint?
void t2()  
{  
    typedef void (*pFun)(void);  
    Base b;  
    pFun pf=0;  
    int * p = (int*)(&b);///强制转换为int*，这样就取得  
    ///b的vptr的地址  
    cout<<"VTable addr: "<<p<<endl;  
    int *q;  
    q=(int*)*p;///*p取得vtable，强转为int*，  
    ///取得指向第一个函数地址的指针q  
    cout<<"virtual table addr: "<<q<<endl;  
    pf = (pFun)*q;///对指针解引用，取得函数地址  
    cout<<"first virtual fun addr: "<<(int*)(*q)<<endl;  
    pf();///invoke  
    ++q;///q指向第二个虚函数  
    pf = (pFun)*q;///对指针解引用，取得函数地址  
    cout<<"second virtual fun addr: "<<(int*)(*q)<<endl;  
    pf();///invoke  
    ++q;///q指向第3个虚函数  
    pf = (pFun)*q;///对指针解引用，取得函数地址  
    cout<<"third virtual fun addr: "<<(int*)(*q)<<endl;  
    pf();///invoke  
    /** ============================  **/  
    ++q;///q指向第4个虚函数?  
    cout<<"4th virtual fun addr: "<<(int*)(*q)<<endl;  
}  

分割线以后的那部分说明：显然只有3个虚函数，再往后移动就没有了，那没有是什么？取出来看发现是0，如果把这个地址继续当做函数地址调用，那必然出错了。看来这个表的最后一个地址为0表示虚函数表的结束。结果如下：

如果只看代码，可能会晕。。。。

看个形象点的图吧：

其中标*的地方这里是0。

2 有覆盖时的虚函数表

没有覆盖的虚函数没有太大意义，要实现动态绑定，必须在派生类中覆盖基类的虚函数。

2.1 继承时没有覆盖

假设有如下继承关系：

在这里，派生类没有覆盖任何基类函数。那么在派生类的实例中，其虚函数表如下所示：

测试代码也很简单，只要修改对象的地址为新的地址，然后继续往后移动指针就行了：

[cpp] view plaincopyprint?
void t3()  
{  
    typedef void (*pFun)(void);  
    Derive d;  
    pFun pf=0;  
    int * p = (int*)(&d);///强制转换为int*，这样就取得  
    ///d的vptr的地址  
    cout<<"VTable addr: "<<p<<endl;  
    int *q;  
    q=(int*)*p;///*p取得vtable，强转为int*，  
    ///取得指向第一个函数地址的指针q  
    cout<<"virtual table addr: "<<q<<endl;  
    for(int i=0; i<6; ++i)  
    {  
        pf = (pFun)*q;///对指针解引用，取得函数地址  
        cout<<i+1<<"th virtual fun addr: "<<(int*)(*q)<<endl;  
        pf();///invoke  
        ++q;  
    }  
    cout<<"*q="<<(*q)<<endl;  
}  

结果：

结论：

1）虚函数按照其声明顺序放在VTable中；

2）基类的虚函数在派生类虚函数前面；

2.2 继承时有虚函数覆盖

假设继承关系如下：

注意：这时函数f()在派生类中重写了。

先测试下，看看虚函数表是什么样子的：

测试代码：

[cpp] view plaincopyprint?
void t4()  
{  
    typedef void (*pFun)(void);  
    Derive d;  
    pFun pf=0;  
    int * p = (int*)(&d);///强制转换为int*，这样就取得  
    ///b的vptr的地址  
    cout<<"VTable addr: "<<p<<endl;  
    int *q;  
    q=(int*)*p;///*p取得vtable，强转为int*，  
    ///取得指向第一个函数地址的指针q  
    cout<<"virtual table addr: "<<q<<endl;  
    for(int i=0; i<6; ++i)  
    {  
        pf = (pFun)*q;///对指针解引用，取得函数地址  
        if(pf==0) break;  
        cout<<i+1<<"th virtual fun addr: "<<(int*)(*q)<<endl;  
        pf();///invoke  
        ++q;  
    }  
    cout<<"*q="<<(*q)<<endl;  
}  

结果：

可以看到，第一个输出的是Derive::f，然后是Base::g、Base::h、Derive::g1、Derive::h1、0。据此，虚函数表就明了了：

结论：

1）派生类中重写的函数f()覆盖了基类的函数f()，并放在虚函数表中原来基类中f()的位置。

2）没有覆盖的函数位置不变。

这样，对于下面的调用：

[cpp] view plaincopyprint?
Base *b;  
b = new Derive();  
b->f();///Derive::f  

由于b指向的对象的虚函数表的位置已经是Derive::f()（就是上面的那个图），实际调用时，调用的就是Derive::f()，这就实现了多态。

3 多重继承（无虚函数覆盖）

假设继承关系如下：

对于派生类实例中的虚函数表，如下图所示：

(这个画起来太麻烦了，就借用下别人的图，但是注意：图中写函数的地方实际为指向该函数的指针)

测试代码：

[cpp] view plaincopyprint?
void t6()  
{  
    typedef void (*pFun)(void);  
    Derive d;  
    pFun pf=0;  
    int * p = (int*)(&d);///强制转换为int*，这样就取得  
    ///b的vptr的地址  
    cout<<"Object addr: "<<p<<endl;  
    for(int j=0; j<3; j++)  
    {  
        int *q;  
        q=(int*)*p;///*p取得vtable，强转为int*，  
        ///取得指向第一个函数地址的指针q  
        cout<<j+1<<"th virtual table addr: "<<(int*)q<<endl;  
        for(int i=0; i<6; ++i)  
        {  
            pf = (pFun)*q;///对指针解引用，取得函数地址  
            if((int)pf<=0) break;///到末尾了  
            cout<<i+1<<"th virtual fun addr: "<<(int*)(*q)<<endl;  
            pf();///invoke  
            ++q;  
        }  
        cout<<"*q="<<(*q)<<"\n"<<endl;  
        p++;///下一个vptr  
    }  
}  

结果验证：

从上面的运行结果可以看出，第一个虚函数表的末尾不再是0了，而是一个负数，第二个变成一个更小的负数，最后一个0表示结束。【这个应该和编译器版本有关，看别人的只要没有结束都是1，结束时是0。在本机上测试vc6.0每个虚函数表都是以0为结尾】

结论：

1）每个基类都有自己的虚表；

2）派生类虚函数放在第一个虚表的后半部分。

如果这时候运行如下代码：

Base1 *b = new Derive();

b->f();

结果为：Base1::f，因为在名字查找时，最先找到Base1::f后不再继续查找，然后类型检查没错，就调用这个了。

4 多重继承（有虚函数覆盖-- ？？有疑问？？）

现在继承关系修改为：

这时派生类实例的虚函数表为：

验证代码同上t6()。结果：

结论：基类中的虚函数被替换为派生类的函数。

但是为什么3个Derive::f的地址为什么不一样（见下图红框标注的部分）？难道编译器生成了三个同样的函数？感觉不应该这样。。。这和第二篇博主的图（见文章末尾）也不一样。。有没有高手解释下？

运行这个结果的完整代码：

[cpp] view plaincopyprint?
/************************ 
 * g++ (GCC) 4.6.2 
 * Win7 x64 
 * Code::Blocks 12.11 
 ************************/  
#include <iostream>  
  
using namespace std;  
  
  
class Base1  
{  
public:  
    virtual void f(){cout<<"Base1::f"<<endl;}  
    virtual void g(){cout<<"Base1::g"<<endl;}  
    virtual void h(){cout<<"Base1::h"<<endl;}  
};  
  
class Base2  
{  
public:  
    virtual void f(){cout<<"Base2::f"<<endl;}  
    virtual void g(){cout<<"Base2::g"<<endl;}  
    virtual void h(){cout<<"Base2::h"<<endl;}  
};  
class Base3  
{  
public:  
    virtual void f(){cout<<"Base3::f"<<endl;}  
    virtual void g(){cout<<"Base3::g"<<endl;}  
    virtual void h(){cout<<"Base3::h"<<endl;}  
};  
  
class Derive : public Base1, public Base2,public Base3  
{  
public:  
    virtual void f(){cout<<"Derive::f"<<endl;}  
    virtual void g1(){cout<<"Derive::g1"<<endl;}  
    //virtual void h1(){cout<<"Derive::h1"<<endl;}  
};  
  
void t6()  
{  
    typedef void (*pFun)(void);  
    Derive d;  
    pFun pf=0;  
    int * p = (int*)(&d);///强制转换为int*，这样就取得  
    ///b的vptr的地址  
    cout<<"Object addr: "<<p<<endl;  
    for(int j=0; j<3; j++)  
    {  
        int *q;  
        q=(int*)*p;///*p取得vtable，强转为int*，  
        ///取得指向第一个函数地址的指针q  
        cout<<j+1<<"th virtual table addr: "<<(int*)q<<endl;  
        for(int i=0; i<6; ++i)  
        {  
            pf = (pFun)*q;///对指针解引用，取得函数地址  
            if((int)pf<=0) break;//  
            cout<<i+1<<"th virtual fun addr: "<<(int*)(pf)<<endl;  
            pf();///invoke  
            ++q;  
        }  
        cout<<"*q="<<(*q)<<"\n"<<endl;  
        p++;  
    }  
}  
  
int main()  
{  
    t6();  
    return 0;  
}  

这时，如果使用基类指针去调用相关函数，那么实际运行时将根据指针指向的实际类型调用相关函数了：

[cpp] view plaincopyprint?
Derive d;  
Base1 *b1 = &d;  
Base2 *b2 = &d;  
Base3 *b3 = &d;  
b1->f();///Derive::f  
b2->f();///Derive::f  
b3->f();///Derive::f  
b1->g();///Base1::f  
b2->g();///Base2::f  
b3->g();///Base3::f  