細談C++多態性的“動”與“靜”

2019-11-17 05:28:08

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

　　在我們討論多態的時候，先看看什么是硬編碼和軟編碼：硬編碼就是把代碼寫死了，導致彈性不足，降低了可擴展性，例如在代碼里的
if...else...；switch...case...

　　這些代碼通常都屬于硬編碼，項目中的這些代碼多了，就相當于說明這個代碼的靈活性、擴展性、彈性等等的少了。

　　所以，我們要盡量使用軟編碼，通俗點就是“別把話說死了，留點轉彎的余地”。多態性就是這種軟編碼特性的反映，下面我們一起來研究一下多態性。

　　多態性是一種抽象，把事物的特征抽象出來，然后事物的具體形態我們就不關心了。

　　例如對工人這種事物來說，他的特征就是工作，至于是什么工人，他做什么工作，我們就不用關心了，只要我們以“工人.工作”這種方式去調用。那他就會為我們工作了。

　　那為什么我們不抽象出其他的特征，只抽象出工作這個特征呢？因為我們只對這個特征感愛好，他的什么吃飯、睡覺、如廁等的特性我們都不關心了。有了多態，我們就可以實現軟編碼了！

　　講解了多態的概念之后，我們來看看多態的實現（C++的實現）：

　　多態的實現是通過虛函數表(VTable)，每個類假如有虛函數，那它就有一個虛函數表，所有的對象都共享這一個VTable。這個概念也叫做動態聯編，還有靜態聯編，這些概念都是通過在程序執行的時候表現出來的性質來定的，我們下面會看看它的“動”和“靜”究竟體現在哪里。

　　先看一段代碼：

class C0
...{
public:
void Test()
...{
cout << "call C0 Test()。" << endl;
}
};
　　這個類沒有虛函數，調用的時候就是靜態調用。調用的代碼如下：

// 靜態編譯（早綁定 early binding）
C0 *pO0;
C0 obj0;
pO0 = &obj0;
pO0->Test();
它的反匯編代碼如下：

// 直接調用函數（已經知道地址）
00401432 mov ecx,dWord ptr [ebp-0Ch]
00401435 call @ILT+160(C0::Test) (004010a5)
下面看看帶虛函數的類：

class C1
...{
public:
virtual void Test()
...{
cout << "call C1 Test()" << endl;
}
};

class C11 : public C1
...{
public:
void Test()
...{
cout << "call C11 Test()" << endl;
}
};
　　它的調用：

C11 obj11;

C1 *pObj1;
pObj1 = &obj11;
// 這里生成的匯編代碼
// 0040144A lea edx,[ebp-14h] // 尋址找到pObj1
// 0040144D mov dword ptr [ebp-1Ch],edx

pObj1->Test();
// 這里生成的匯編代碼
// 00401450 mov eax,dword ptr [ebp-1Ch] // 取得虛表地址
// 00401453 mov edx,dword ptr [eax]
// 00401455 mov esi,esp
// 00401457 mov ecx,dword ptr [ebp-1Ch] // 根據虛表的位置來取得Test()函數
// 0040145A call dword ptr [edx] // 調用Test()函數
　　根據上述的匯編代碼，我們可以知道，在多態調用函數的時候，程序執行以下步驟：

　　1、尋址找到pObj1

　　2、由于C11重載了Test虛函數，所以*pObj1指向的就是C11的VTable的地址

　　3、調用pObj1->Test()時，程序通過Vptr(虛表的指針，對象的首地址)，找到VTable，再根據偏移調用Test函數。

　　由于上述的多態調用過程是一個動態的過程（在運行時去“找”函數來調用），而不是編譯完就直接把函數地址擺在那里了，所以被稱作“動態聯編”。

　　上面把多態的“動”和“靜”的特點結合代碼說了一遍，希望能說清楚了。

　　下面再驗證一個類的虛表的問題，假如你對虛表已經很熟悉了，就不用再往下看了。

　　在很多書上都已經說明了C++的對象模型，這里只是做個驗證。看看這段代碼：

class C1
...{
public:
virtual void Test()
...{
cout << "call C1 Test()" << endl;
}
};

class C11 : public C1
...{
public:
void Test()
...{
cout << "call C11 Test()" << endl;
}
};

class C12 : public C1
...{
public:
void Test()
...{
cout << "call C12 Test()" << endl;
}
};
　　我們可以知道 Test() 是虛函數，從C1派生的類必定有自己的虛表。而且根據別的資料，虛表指針是放在對象的首地址的，我們下面就來驗證一下：

// 驗證首地址
C11 obj110;
C11 obj111;

printf("obj111 的地址：%x ", &obj111);
printf("obj110 虛表的地址：%x ", *(&obj110));
printf("obj111 虛表的地址：%x ", *(&obj111));
　　結果是：

　　obj110 的地址：12ff7c
　　obj111 的地址：12ff78
　　obj110 虛表的地址：432098
　　obj111 虛表的地址：432098

　　由上面的結果我們可以驗證：

　　1、一個類一個VTABLE，而不是一個對象一個VTABLE。

　　2、對象的首地址的內容就是VTABLE的地址。

　　總結一下：

　　C++的多態性包括其概念和實現，本文從編譯器生成的代碼來討論C++多態特性，非凡說明了為什么多態特性被稱為“動態聯編”，它和“靜態聯編”有什么不同，它們的“動”與“靜”體現在哪里。另外還對對象的虛表做了些驗證。好了，希望本文能對你熟悉C++的多態性有一定的幫助！