c++ 多态的内幕

c++ 多态，就是利用了一个二级指针（指针数组），数组里的每个元素都指向了，用virtual修饰的成员函数。

既然提到了指针，那就让我们用内存地址来证明一下吧。

为了证明，我们必须要取到成员函数的首地址。利用下面的函数取得成员函数的地址

template<typename dst_type,typename src_type>
dst_type pointer_cast(src_type src)
{
    return *static_cast<dst_type*>(static_cast<void*>(&src));
}

调用上面函数的方法：

void* p1 = pointer_cast<void*>(&类名::成员方法名);

1，首先我们先看看非多态的成员方法的内存布局，通过下面的证明代码：

#include "stdio.h"
#include "string.h"
#include <iostream>

template<typename dst_type,typename src_type>
dst_type pointer_cast(src_type src)
{
    return *static_cast<dst_type*>(static_cast<void*>(&src));
}

class a
{
    private:
        int a;
        char b;
        short c;
    public:
        a(int m,char n,short t)
        {
            a = m;b = n;c = t;
        }
   void funca(){
     std::cout << "a::func()" << std::endl;
   }
};
class b:public a
{
    private:
        char d;
    public:
        b(int m,char n,short t,char q):a(m,n,t)
        {
            d = q;
        }
  void funcb(){
     std::cout << "b::func()" << std::endl;
   }
};

int main()
{
    a x(1,2,3);
    b y(1,2,3,4);

    a* m = new b(1,2,3,4);
    void* p1 = pointer_cast<void*>(&a::funca);
    void* p2 = pointer_cast<void*>(&b::funcb);
    void(*a)() = (void(*)())p1;
    a();
    return 0;
}

实验环境：gcc version 7.3.0。ubuntu18.04

下图是gdb的调试截图

gdb里的操作步骤1，先用【info line 22】命令去得到a类的成员函数funca的地址，22是成员函数funca所在的行号。

gdb里的操作步骤2，因为p1是指向a类的成员函数funca的指针，所以【p p1】的结果就是a类的成员函数funca的地址。

结论：通过步骤1和步骤2的结果来看，得出的两个地址是相同的。

说明了什么呢？说明了非多态的成员函数的地址偏移量，是在编译阶段，就固定好了的。

地址偏移量是啥？

当运行程序时，先从硬盘把程序载入到内存中，这个程序就成为了一个运行中的进程，操作系统会给进程分配虚拟内存空间，为了能够调用到函数，必须知道函数在的虚拟内存空间的地址。这个地址调用侧怎么知道的呢，在编译阶段，编译器自动把被调用函数相对于进程首地址的偏移量算出来了，告诉了调用测，所以调用侧才能找到被调用函数的地址。

2，我们再来看看多态的成员方法的内存布局，通过下面的证明代码：

#include "stdio.h"
#include "string.h"
#include <iostream>

template<typename dst_type,typename src_type>
dst_type pointer_cast(src_type src)
{
    return *static_cast<dst_type*>(static_cast<void*>(&src));
}

class a
{
    private:
        int a;
        char b;
        short c;
    public:
        a(int m,char n,short t)
        {
            a = m;b = n;c = t;
        }
   virtual void func(){
     std::cout << "a::func()" << std::endl;
   }
   virtual void func1(){
     std::cout << "a::func1()" << std::endl;
   }
};
class b:public a
{
    private:
        char d;
    public:
        b(int m,char n,short t,char q):a(m,n,t)
        {
            d = q;
        }
  virtual void func(){
     std::cout << "b::func()" << std::endl;
   }
   virtual void func1(){
     std::cout << "b::func1()" << std::endl;
   }
};

int main()
{
    a x(1,2,3);
    b y(1,2,3,4);

    a* m = new b(1,2,3,4);
    void* p1 = pointer_cast<void*>(&a::func);
    void* p2 = pointer_cast<void*>(&b::func);
    m->func();//调用的是b的func
    m->func1();//调用的是b的func1
    //void(*a)() = (void(*)())p1;
    //a();
    return 0;
}

下图是gdb的调试截图

指针p1指向的类a的func成员函数；

指针p2指向的类b的func成员函数；

但是从gdb的结果来看，他们指向的地址都是0x1，也就说明他们没有正确的指向类的成员函数。

那么类的成员函数的地址在哪里呢？看下面的gdb截图

通过【p x】查看对象x，发现x里面多了个_vptr的东西。这个东西就是最开始说的二级指针（指针数组）。

步骤1：先用【info line 22】命令去得到a类的成员函数func的地址.

步骤2：【p *(void**)0x555555755d48】，先把_vptr指针转成void型的二级指针，然后再用【*】取得地址里的内容，发现地址类存放的就是类a的成员函数func的地址0x555555554cc4。

结论：_vptr指向的就是所有虚函数中的第一个虚函数的地址。

问题来了，如何得到第二个呢？因为64位系统指针所占8个字节，所以（_vptr + 8）就是第二个虚函数的地址。

下面就让多态的真相浮出水面

当有如下代码：用父类的指针指向子类的对象（多态的最终目的：面对抽象类编程），然后调用子类和父类完全相同的函数（必须是虚函数）。让人迷惑，到底调用的是哪个。

a* m = new b(1,2,3,4);//b是a的子类
m->func();
m->func1();

用父类的指针调用虚函数时，先去它指向的内存中（子类所占用的内存）找_vptr,然后从_vptr里找函数的地址。非虚函数的地址不在_vptr里。

步骤1：【p *m】，发现m是类a的对象

步骤2：【set print object on】，含义是显示对象真正的类型

步骤3：【p *m】，发现m原来不是类a的对象，而是类b的对象。

步骤4：查看_vptr里第一个指针，发现指向的是b的func；加8后得到第二个指针，发现发现指向的是b的func1.

让虚函数们的地址存入_vptr里面的代码肯定是由编译器给我们加上的，这些代码加到哪里了呢？

加到了构造函数里

c/c++ 学习互助qq群：877684253

本人微信：xiaoshitou5854