OOP C++中的動態(tài)多態(tài)性及其底層實現(xiàn)機制研究

馬瑞敏

（長治學院 計算機系，山西 長治 046011）

OOP（Object Oriented Programming）的出現(xiàn)改變了編程者的思維方式，使設計程序的出發(fā)點由問題域中的過程轉(zhuǎn)向問題域中的對象及其相互關系，更加符合人們對客觀事物的認識，是目前主流的軟件開發(fā)方法。多態(tài)性是OOP的三大重要概念（封裝性、繼承性、多態(tài)性）之一，理解并掌握好多態(tài)性的實現(xiàn)和應用方法在OOP過程中占有重要的地位。多態(tài)是指類族中具有相似功能的不同函數(shù)使用同一名稱來實現(xiàn)，從而可以使用相同的調(diào)用方式來調(diào)用這些具有不同功能的同名函數(shù)，又稱為“同一接口，多種方法”。

1 多態(tài)的類型

多態(tài)從實現(xiàn)的角度來講可以劃分為兩類：編譯時多態(tài)和運行時多態(tài)。前者是在編譯時確定了同名操作的具體操作對象，又稱靜態(tài)多態(tài)，函數(shù)及運算符的重載、數(shù)據(jù)類型強制轉(zhuǎn)換和模板都屬于靜態(tài)多態(tài)；后者是在程序運行過程中才能動態(tài)地確定操作所針對的具體對象，又稱動態(tài)多態(tài)。總體上說,動態(tài)多態(tài)才是真正的多態(tài)性。

2 動態(tài)多態(tài)性的實現(xiàn)

下面根據(jù)程序Pro1.cpp來分析動態(tài)多態(tài)性的實現(xiàn)。

圖1 未實現(xiàn)動態(tài)多態(tài)性的運行結果

圖2 實現(xiàn)動態(tài)多態(tài)性的運行結果

在程序Pro1.cpp中派生類Derived1和Derived2雖然重寫（重寫是指函數(shù)名、參數(shù)及返回類型都與基類某函數(shù)相同但功能不同的函數(shù)）基類Base的成員函數(shù)，但根據(jù)賦值兼容與函數(shù)隱藏的規(guī)則，語句“pb->f（）；”只能訪問到基類Base中的成員函數(shù)f（），不能訪問到派生類中的同名成員函數(shù)，運行結果如圖1所示，沒有實現(xiàn)動態(tài)多態(tài)性。

要實現(xiàn)動態(tài)多態(tài)性，需要將基類中的同名函數(shù)定義為虛函數(shù)，即在基類的成員函數(shù)聲明前加關鍵字virtual。同時還需三個先行條件：①派生類公有繼承了基類；②在派生類中重寫了同名虛函數(shù)；③用派生類對象地址為基類指針賦值，或用派生類對象初始化基類對象的引用。修改Pro1.cpp，在基類Base的成員函數(shù)f前加上virtual關鍵字，通過基類指針pb指向不同的派生類對象，可以訪問到派生類中的虛函數(shù)，從而實現(xiàn)動態(tài)多態(tài)性。運行結果如圖2所示。

C++規(guī)定：若在派生類中重寫了基類的虛函數(shù)，即使不添加virtual關鍵字，它們也自動成為了虛函數(shù)。關鍵字virtual指示C++編譯器對調(diào)用虛函數(shù)進行動態(tài)聯(lián)編。上述條件③中對虛函數(shù)的調(diào)用也有約定：只能使用指針或引用調(diào)用虛函數(shù)，不能使用對象名調(diào)用。因為使用對象名調(diào)用函數(shù)時，函數(shù)調(diào)用與函數(shù)的實現(xiàn)在編譯階段已經(jīng)確定，無法實現(xiàn)動態(tài)綁定，而指針或引用在程序運行過程中可能會指向同一基類的不同派生類對象，因此使得通過指針或引用調(diào)用虛函數(shù)時，對應的函數(shù)實現(xiàn)代碼需要在程序運行過程中才能夠進行綁定，從而實現(xiàn)動態(tài)多態(tài)性。一個聲明或繼承了虛函數(shù)的類稱為多態(tài)類。

3 動態(tài)多態(tài)性底層實現(xiàn)機制研究

動態(tài)多態(tài)主要通過類的繼承關系和虛函數(shù)來實現(xiàn)。虛函數(shù)的底層實現(xiàn)機制并未標準化。當前主流的C++編譯器如Visual C++、Borland C++等實現(xiàn)虛函數(shù)的技術不盡相同，但基本都包含如下思想：程序運行時，編譯器為每個多態(tài)類創(chuàng)建一個虛函數(shù)表vtable，表中按虛函數(shù)的聲明順序保存每個虛函數(shù)運行時在內(nèi)存中的地址；同時還自動為該類增加一個指針類型的數(shù)據(jù)成員vptr，并讓vptr指向虛函數(shù)表首地址。當用多態(tài)類定義的對象時，對象將自動有了一個指向虛函數(shù)表的指針成員vptr。如圖3所示。

圖3 虛函數(shù)實現(xiàn)機制

程序運行時，如果基類指針指向了這樣的派生類對象并且要調(diào)用某個虛函數(shù)，就會通過派生類對象的vptr獲得派生類中同名的虛函數(shù)地址，從而執(zhí)行它，而不再理會基類中的該函數(shù)。僅當派生類中沒有要調(diào)用的虛函數(shù)，程序才轉(zhuǎn)去調(diào)用基類中的同名虛函數(shù)，也就是說派生類中虛函數(shù)表和指針成員vptr是實現(xiàn)運行時的多態(tài)性關鍵所在。下面分兩種情況詳細討論Visual C++環(huán)境下虛函數(shù)的底層實現(xiàn)機制。

3.1 單繼承下的動態(tài)多態(tài)性實現(xiàn)機制

假設存在如圖4所示繼承關系的兩個類，派生類沒有重寫基類的任何虛函數(shù)，虛函數(shù)表中將按虛函數(shù)聲明順序存放其地址，派生類的虛函數(shù)表中父類的虛函數(shù)在排在前面，如圖5所示。

圖4 單繼承關系下包含虛函數(shù)UML圖

圖5 單繼承下虛函數(shù)實現(xiàn)機制

修改Derived類的成員函數(shù)名f1為f，表示Derived類重寫基類的虛函數(shù)f（），在其虛函數(shù)表中重寫的f（）函數(shù)的地址將覆蓋從基類繼承來的虛函數(shù)的地址，沒有被重寫的函數(shù)依舊，如圖6所示。當用基類指針pb指向Derived類的對象，調(diào)用虛函數(shù)即執(zhí)行語句“pb→f（）；”時，vptr會在派生類的虛函數(shù)表中查找對應的函數(shù)的入口地址，調(diào)用對應派生類對象的成員函數(shù)f（），實現(xiàn)動態(tài)多態(tài)性。

圖6 單繼承下的動態(tài)多態(tài)性實現(xiàn)機制

3.2 多繼承下的動態(tài)多態(tài)性實現(xiàn)機制

假設存在如圖7所示多繼承關系的三個類。Derived類重寫了基類的虛函數(shù)f（）。如果派生類的多個基類含有虛函數(shù)，編譯系統(tǒng)會為它創(chuàng)建多個虛函數(shù)表。虛函數(shù)表中各虛函數(shù)的順序與其基類中的一樣，派生類中新增的虛函數(shù)將按聲明順序被追加在第一個虛函數(shù)表中。如果多繼承關系中派生類重寫了基類的某個虛函數(shù)，依然遵循覆蓋原則，即在其每個虛函數(shù)表中用重寫的虛函數(shù)的地址覆蓋從基類繼承來的同名虛函數(shù)的入口地址，如圖8所示。

圖7 多繼承關系下包含虛函數(shù)UML圖

圖8 多繼承下的動態(tài)多態(tài)性實現(xiàn)機制

4 結語

多態(tài)性是OOP的有力工具。適當利用多態(tài)性，可增加軟件系統(tǒng)的靈活性，減少冗余信息，提高軟件的可重用性和可擴充性。本文對C++語言中動態(tài)多態(tài)性的實現(xiàn)方法進行了分析，并通過相關實例和內(nèi)存布局圖對其在單繼承和多繼承關系下的底層實現(xiàn)機制進行了研究，給出了動態(tài)多態(tài)性設計和實現(xiàn)的有效方法。

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