探索虚函数与多态

测试环境：win10 64位 vs2013

一些概念：

       虚函数：类的成员函数前面加上virtual关键字，则此成员函数即为虚函数。

       重写：在子类定义了一个与父类完全相同的虚函数，则称子类的虚函数重写了父类的虚函数。

       多态：多态就是多种形态，C++的多态分为静态多态和动态多态。静态多态就是重载，因为在编译期间决定调用哪个函数，所以称为静态多态；动态多态是通过继承重写基类的虚函数实现的多态，因为是在运行期间决定调用哪个函数，所以称为动态多态。

1.单继承对象模型

#pragma once#include <iostream>using namespace std;class Base{public:virtual void f1(){cout << "Base::f1" << endl;}virtual void f2(){cout << "Base::f2" << endl;}private:int _a;};class Derive :public Base{public:virtual void f1(){cout << "Derive::f1" << endl;}virtual void f3(){cout << "Derive::f3" << endl;}private:int _b;};typedef void(*FUNC) ();void PrintVTable(int* VTable){cout << "虚表地址:" << VTable << endl;for (int i = 0; VTable[i] != 0; ++i){printf("第%d个虚函数地址 :0%x,->", i, VTable[i]);FUNC f = (FUNC)VTable[i];f();}cout << endl;}void test1(){Base b1;Derive d1;int* VTable1 = (int*)(*(int*)&b1);int* VTable2 = (int*)(*(int*)&d1);PrintVTable(VTable1);PrintVTable(VTable2);}

单继承原理：

       对于b1: 在构造时，为所有虚函数创建一个虚表，虚表首地址存在对象b1的首地址中。

       对于d1: 在构造时，同样要建立一个虚表，由于继承了父类；所以首先构造父类内成员，然后再构造d1内其他成员，在构造父类后，由于存在重写f1。所以将d1中f1覆盖到父类f1位置，以下为测试。

内存分布：

       运行代码发现在监视窗口并没有显示d1完整的虚函数地址，打开内存窗口，输入d1的虚表地址。

上述数据基本符合预期，为了更直观，将上述虚函数地址打印，如下：

现在在Base里添加两个Display（）函数，一个传参，一个不传，使他们构成重载。

void test2(){Derive d2;Base& b2 = d2;b2.f1();b2.Display();b2.Display(1);}

查看反汇编，明显得出动态多态与静态在寻址时极为不同的方式

b2.f1();               ;动态多态，虚表寻找地址

mov    eax,dword ptr [b2]      ;b2地址给eax

mov    edx,dword ptr [eax]    ;将eax指向的内容给edx

mov    esi,esp 

mov    ecx,dword ptr [b2]      ;b2地址给eax

mov    eax,dword ptr [edx]    ;将edx内容给eax

call     eax 

cmp    esi,esp 

call    __RTC_CheckEsp (01B1361h) 

b2.Display();      ；静态多态，编译时确定地址

mov    ecx,dword ptr [b2] 

call     Base::Display (01B124Eh) 

b2.Display(1);

push       1 

      b2.Display(1);

mov      ecx,dword ptr [b2] 

call       Base::Display (01B10E1h)

2.多重继承对象模型

#include <iostream>using namespace std;class Base1{public:virtual void f1(){cout<<"Base1::f1"<<endl;}virtual void f2(){cout<<"Base1::f2"<<endl;}private:int _b1;};class Base2{public:virtual void f1(){cout<<"Base2::f1"<<endl;}virtual void f2(){cout<<"Base2::f2"<<endl;}private:int _b2;};class Derive: public Base2,public Base1{public:virtual void f1(){cout<<"Derive::f1"<<endl;}virtual void f3(){cout<<"Derive::f3"<<endl;}private:int _d1;};typedef void(*FUNC)();void PrintVTable(int* VTable){cout << "虚表地址:" << VTable << endl;for (int i = 0; VTable[i] != 0; ++i){printf("第%d个虚函数地址 :0x%x,->", i, VTable[i]);FUNC f = (FUNC)VTable[i];f();}cout << endl;}void test1(){Derive d;PrintVTable((int*)(*((int*)&d)));PrintVTable((int*)(*((int*)((char*)&d + sizeof(Base1)))));}

多重继承原理：

       在重多继承过程中，子类的成员函数重写（上例f1），如果两个父类同时包含重写的函数，将子类的其他虚函数存在优先继承的虚函数表中（上例先继承Base2）。

内存分布：

打开监视窗口仍然发现不能显示全部虚函数的地址，如下：

然后我们可以打印出虚函数地址，如下：

于是我们得到多重继承模型：

3.菱形虚拟继承

#include <iostream>using namespace std;class A{public:virtual void f1(){}int _a;};class B : virtual public A{public:virtual void f1(){}virtual void f2(){cout << "D::f2()" << endl;}int _b;};class C : virtual public A{public:virtual void f1(){}virtual void f2(){cout << "D::f2()" << endl;}int _c;};class D : public B, public C{public:virtual void f1(){cout << "D::f1()" << endl;}virtual void f3(){cout << "D::f3()" << endl;}int _d;};void test1(){D d1;d1._a = 1;d1._b = 2;d1._c = 3;d1._d = 4;PrintVTable((int*)(*(int*)&d1));PrintVTable((int*)(*((int*)&d1 + 3)));//+3是因为用sizeof计算崩溃PrintVTable((int*)(*((int*)&d1 + 7)));//所以对照内存表人工计算}

通过查看内存分配和打印每个虚表内函数地址，画出如下d1模型图，由于虚继承将A构造的对象，放置在了最下面，然后有一虚基表指向此处，以后可以访问。