【C++】C++ 多态的底层实现原理

1. 多态的定义与作用

多态指的是同一操作在不同对象上具有不同的表现。C++ 中多态分为两类：

• 编译时多态（静态多态）：如函数重载、运算符重载，通过编译器在编译时决定调用哪个函数。
• 运行时多态（动态多态）：主要通过继承和虚函数实现，调用函数时根据实际对象的类型动态决定调用哪个函数。

本文重点讨论 运行时多态，它是通过虚函数机制实现的。

2. 虚函数与虚函数表（vtable）

C++ 中，虚函数 是用 virtual 关键字修饰的成员函数，表示这个函数可以在派生类中被重写，并且可以通过基类指针或引用调用时执行派生类的函数版本。

class Base {
public:virtual void Print() {std::cout << "Base::Print" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:void Print() override {std::cout << "Derived::Print" << std::endl;}
};

在上面的例子中，Base 类的 Print 函数是虚函数，Derived 类重写了这个函数。当我们通过基类指针调用 Print 时，会动态决定调用 Base 还是 Derived 的版本。

底层实现上，虚函数的机制依赖于虚函数表（vtable）和虚函数指针（vptr）。

3. 虚函数表（vtable）

每个包含虚函数的类，编译器会为其生成一个 虚函数表（vtable）。虚函数表是一个存放虚函数地址的数组。当对象是某个类的实例时，它会有一个指向该类的虚函数表的指针，称为 虚函数指针（vptr）。

• 虚函数表 (vtable)：每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，表中存储的是该类的虚函数指针。如果派生类重写了某个虚函数，虚函数表中对应的指针会指向派生类的版本。
• 虚函数指针 (vptr)：每个对象实例都有一个虚函数指针 vptr，它指向该对象所属类的虚函数表。

当通过基类指针调用虚函数时，编译器根据对象的 vptr 找到对应的 vtable，然后查找表中的虚函数指针并进行调用。这样，实现了动态绑定（运行时多态）。

4. 虚函数调用的底层过程

假设我们有如下代码：

Base* ptr = new Derived();
ptr->Print();

这段代码的底层执行过程如下：

1. 对象构造：当 Derived 类对象构造时，编译器会在对象内存布局中加入一个 vptr，并将其指向 Derived 类的虚函数表。
2. 调用虚函数：当 ptr->Print() 被调用时，程序会根据 ptr 指向的对象类型，通过 vptr 查找 Derived 类的虚函数表，找到 Print 函数的地址并进行调用。

虚函数的调用可以简化为以下伪代码：

void (*vptr)() = this->vptr[Print];
vptr();

这里，vptr 指向的是 Derived 类的虚函数表，vptr[Print] 表示从虚函数表中获取 Print 函数的地址，然后通过该地址调用实际的函数。

5. 内存布局中的虚函数指针

为了更好地理解虚函数表在内存中的表现，来看一下对象的内存布局。在一个对象中，虚函数指针通常是对象布局的第一个成员，它指向该对象所属类的虚函数表。

+--------------------+
| vptr (虚函数指针)   |
+--------------------+
| 非静态数据成员      |
+--------------------+

在运行时，当调用虚函数时，程序首先通过对象的 vptr 找到对应类的 vtable，然后查找并调用虚函数。因此，每次调用虚函数都会产生一次间接函数调用开销，这就是为什么虚函数会比普通成员函数稍慢一些的原因。

6. 多重继承中的虚函数表

在 C++ 中，多重继承 会导致一个类拥有多个基类。这时，每个基类都会有自己的虚函数表。为了支持多重继承，编译器会为每个基类维护不同的虚函数表和 vptr。

例如：

class Base1 {
public:virtual void Func1() {}
};class Base2 {
public:virtual void Func2() {}
};class Derived : public Base1, public Base2 {
public:void Func1() override {}void Func2() override {}
};

在 Derived 类的对象中，它会有两个 vptr，分别指向 Base1 和 Base2 的虚函数表。这种情况下，虚函数调用会更加复杂，因为编译器需要根据继承层次和实际对象类型找到正确的 vtable。

7. RTTI 与动态类型识别

C++ 运行时类型识别（RTTI）是通过虚函数表实现的。RTTI 包括 typeid 和 dynamic_cast 等操作，它们可以在运行时检查对象的实际类型。编译器会在虚函数表中增加额外的信息，用于支持类型识别操作。

• typeid：用于获取对象的类型信息。
• dynamic_cast：用于安全地将基类指针转换为派生类指针。它依赖于虚函数表中的信息，确保转换的正确性。