C++的多态如何在编译和运行期实现

多态是什么？简单来说，就是某段程序调用了一个API接口，但是这个API有许多种实现，根据上下文的不同，调用这段API的程序，会调用该API的不同实现。今天我们只关注继承关系下的多态。

还是得通过一个例子来看看C++是怎样在编译期和运行期来实现多态的。很简单，定义了一个Father类，它有一个testVFunc虚函数哟。再定义了一个继承Father的Child类，它重新实现了testVFunc函数，当然，它也学习Father定义了普通的成员函数testFunc。大家猜猜程序的输出是什么？

[cpp] view
plaincopy

#include <iostream>  

using namespace std;  

  

class Father  

{  

public:  

    int m_fMember;  

  

    void testFunc(){  

        cout<<"Father testFunc "<<m_fMember<<endl;  

    }  

    virtual void testVFunc(){  

        cout<<"Father testVFunc "<<m_fMember<<endl;  

    }  

    Father(){m_fMember=1;}  

};  

  

class Child : public Father{  

public:  

    int m_cMember;  

    Child(){m_cMember=2;}  

      

    virtual void testVFunc(){cout<<"Child testVFunc "<<m_cMember<<":"<<m_fMember<<endl;}  

    void testFunc(){cout<<"Child testFunc "<<m_cMember<<":"<<m_fMember<<endl;}  

    void testNFunc(){cout<<"Child testNFunc "<<m_cMember<<":"<<m_fMember<<endl;}  

};  

  

  

int main()  

{  

    Father* pRealFather = new Father();  

    Child* pFalseChild = (Child*)pRealFather;  

    Father* pFalseFather = new Child();  

      

    pFalseFather->testFunc();  

    pFalseFather->testVFunc();  

  

    pFalseChild->testFunc();  

    pFalseChild->testVFunc();      

    pFalseChild->testNFunc();      

  

    return 0;  

}  

同样调用了testFunc和testVfunc，输出截然不同，这就是多态了。它的g++编译器输出结果是：

[cpp] view
plaincopy

Father testFunc 1  

Child testVFunc 2:1  

Child testFunc 0:1  

Father testVFunc 1  

Child testNFunc 0:1  

看看main函数里调用的五个test*Func方法吧，这里有静态的多态，也有动态的多态。编译是静态的，运行是动态的。以下解释C++编译器是怎么形成上述结果的。

首先让我们用gcc -S来生成汇编代码，看看main函数里是怎么调用这五个test*Func方法的。

[cpp] view
plaincopy

        movl    $16, %edi  

        call    _Znwm   

        movq    %rax, %rbx  

        movq    %rbx, %rdi  

        call    _ZN6FatherC1Ev  

        movq    %rbx, -32(%rbp)  

        movq    -32(%rbp), %rax  

        movq    %rax, -24(%rbp)  

        movl    $16, %edi  

        call    _Znwm   

        movq    %rax, %rbx  

        movq    %rbx, %rdi  

        call    _ZN5ChildC1Ev  

        movq    %rbx, -16(%rbp)  

        movq    -16(%rbp), %rdi  

<span style="color:#ff0000;">        call    _ZN6Father8testFuncEv    本行对应pFalseFather->testFunc();</span>  

        movq    -16(%rbp), %rax  

        movq    (%rax), %rax  

        movq    (%rax), %rax  

        movq    -16(%rbp), %rdi  

<span style="color:#ff0000;">        call    *%rax                                        本行对应pFalseFather->testVFunc();</span>  

        movq    -24(%rbp), %rdi  

<span style="color:#ff0000;">        call    _ZN5Child8testFuncEv     本行对应pFalseChild->testFunc();</span>  

        movq    -24(%rbp), %rax  

        movq    (%rax), %rax  

        movq    (%rax), %rax  

        movq    -24(%rbp), %rdi  

<span style="color:#ff0000;">        call    *%rax                                        本行对应pFalseChild->testVFunc();    </span>  

        movq    -24(%rbp), %rdi  

<span style="color:#ff0000;">        call    _ZN5Child9testNFuncEv        本行对应pFalseChild->testNFunc();    </span>  

        movl    $0, %eax  

        addq    $40, %rsp  

        popq    %rbx  

        leave  

红色的代码，就是在依次调用上面5个test*Func。可以看到，第1、3次testFunc调用，其结果已经在编译出来的汇编语言中定死了，C++代码都是调用某个对象指针指向的testFunc()函数，输出结果却不同，第1次是：Father testFunc 1，第3次是：Child testFunc 0:1，原因何在？在编译出的汇编语言很明显，第一次调用的是_ZN6Father8testFuncEv代码段，第三次调用的是_ZN5Child8testFuncEv代码段，两个不同的代码段！编译完就已经决定出同一个API用哪种实现，这就是编译期的多态。

第2、4次testVFunc调用则不然，编译完以后也不知道以后究竟是调用Father还是Child的testVFunc实现，直到运行时，拿到CPU寄存器里的指针了，才知道这个指针究竟指向Father还是Child的testVFunc实现。这就是运行期的多态了。

现在我们看看，C++的对象模型是怎么实现这一点的，以及为什么最后打印的是如此结果。还以上面的代码做例子，生成的pFalseFather指向的对象是一个Child对象，它的内存布局是：



再来看看调用代码：

[cpp] view
plaincopy

Father* pFalseFather = new Child();  

  

pFalseFather->testFunc();  

pFalseFather->testVFunc();  

当我们调用pFaseFather->testFunc()代码时，这不是个virtual函数，所以，汇编代码里直接调用了Father::testFunc()实现，这是C++的规则。C++中，如果不是virtual字段的成员函数，调用它的程序将在编译时就直接调用到函数实现。所以，这行代码将执行以下C++代码：

[cpp] view
plaincopy

void testFunc(){  

    cout<<"Father testFunc "<<m_fMember<<endl;  

}  

注意到，pFaseFather指向的是个Child对象，所以Child对象在生成时同时执行了自己和Father父类的构造函数，所以，m_fMember被初始化为1，打印的结果就是Father testFunc 1。

而pFalseFather->testVFunc();调用了vptl指向的函数，上面说了，pFaseFather指向的是个Child对象，而Child对象实现了自己的testVFunc方法，在你new一个Child对象时，编译器会将vptl指向它自己的testVFunc的。所以，将会执行下面的C++代码：

[cpp] view
plaincopy

virtual void testVFunc(){cout<<"Child testVFunc "<<m_cMember<<":"<<m_fMember<<endl;}  

m_cMemeber被Child的构造函数初始化为2，m_fMember被Father的构造函数初始化为1，所以打印出的结果是：Child testVFunc 2:1。

下面我们看看最后三个调用：

[cpp] view
plaincopy

pFalseChild->testFunc();  

pFalseChild->testVFunc();      

pFalseChild->testNFunc();      

我们生成了一个pRealFather指向Father对象，它的内存空间是这样的：



而后我们通过：

[cpp] view
plaincopy

Child* pFalseChild = (Child*)pRealFather;  

指针pFalseChild是个Child类型，但它实际指向的是个Father对象。首先它调用testFunc函数，到底执行Father还是Child的实现呢？上面说过，非virtual函数一律编译期根据类型决定，所以，它调用的是Child实现：

[cpp] view
plaincopy

void testFunc(){cout<<"Child testFunc "<<m_cMember<<":"<<m_fMember<<endl;}  

这里，m_fMember被Father的构造函数初始化为1，而m_cMember已经内存越界了！没错，在32位机器上，Father对象只有8个字节，而Child对象有12个字节，访问的m_cMember就是第9-12个字节转换成的int类型。通常情况，这段内存都是全0的，所以，m_cMember是0。看看结果：Child testFunc 0:1。

然后它调用testVFunc了，这次执行父类还是子类的？是父类的，因为这个对象是Father对象，在new出来的时候，Father的构造函数会把vptl指针指向自己的testVFunc实现哟。所以将会执行C++代码：

[cpp] view
plaincopy

virtual void testVFunc(){  

    cout<<"Father testVFunc "<<m_fMember<<endl;  

}  

执行结果自然是：Father testVFunc 1。

最后一个调用testNFunc，真实的Father对象对应的Father类中可没有这个函数，但是实际编译执行都没问题，why？同上理，在main函数中，因为指针pFalseChild是个Child类型，编译完的汇编语言在pFalseChild->testNFunc();这里就直接调用Child的testNFunc实现了，虽然m_cMember越界了，可是并不影响程序的执行哦。