多態與虛表詳解

引言：詳細講解了虛表的實現過程，有助於我們深入理解虛表，而不至於忘記。本文難免有所錯誤，如有問題歡迎留言

目錄：
1、多態
2、虛表的內存分佈

多態

示例一（多態）：

#include <iostream>
using namespace std;

class AAA
{
public:
    virtual void OutPut() = 0;
};
class BBB:public AAA
{
public:
    void OutPut() { cout << "BBB" << endl; }
};
class CCC:public AAA
{
public:
    void OutPut() { cout << "CCC" << endl; }
};
class DDD:public AAA
{
public:
    void OutPut() { cout << "DDD" << endl; }
};

int main()
{
    AAA* p[3];
    p[0] = new BBB;
    p[1] = new CCC;
    p[2] = new DDD;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        p[i]->OutPut();
        delete p[i];
        p[i] = NULL;
    }
    return 0;
}

輸出結果：
BB
CC
DD

通過示例一，我們可以大概的瞭解多態的含義，就是實現了同一個接口，呈現出多種狀態。就好似，充電寶上的USB接口，在不同的充電寶中（BBB、CCC、DDD），可能有的是1A的，有的是兩A的，有的是4A的，這就是生活中USB接口的多種不同實現。面向對象思想就是提取生活中的實例來抽象這個世界。
多態的含義：接口的多種不同實現方式即爲多態。

多態的實現原理？
這裏就需要了解虛表（虛函數列表）的實現
虛表的含義：每個有虛函數的類或者繼承具有虛函數的基類，編譯器都會爲它生成一個虛擬函數表。虛表中的每一個元素都分別指向一個虛函數的地址。
虛表的形成：虛表在編譯階段構造出來的表

虛表的內存分佈

示例二（虛表）：

#include <iostream>
using namespace std;

#define interface struct

interface IX
{
    virtual void FX1() = 0;
    virtual void FX2() = 0;
};

interface IY
{
    virtual void FY1() = 0;
    virtual void FY2() = 0;
};

class CCom :public IX, public IY
{
public:
    virtual void FX1() override
    {
        cout << "FX1" << endl;
    }

    virtual void FX2() override
    {
        cout << "FX2" << endl;
    }

    virtual void FY1() override
    {
        cout << "FY1" << endl;
    }

    virtual void FY2() override
    {
        cout << "FY2" << endl;
    }

    int m_Num;

    void OutPutThis()
    {
        cout << "this 指針地址：" << hex << this << endl;
    }

    int ADD(int a, int b)
    {
        return a + b;
    }

    virtual void GetNum(int num)
    { 
        m_Num = num; 
    }
    virtual void OutPut() 
    { 
        printf("%d\n", m_Num);
    }
};

int main()
{
    CCom* pCom = new CCom;
    CCom* pCom2 = new CCom;
    IX* pIX = (IX*)pCom;
    IY* pIY = (IY*)pCom;

    pCom->OutPutThis();
    cout << "實例指針 pCom->" << hex << pCom << endl;
    cout << "虛表指針 pIX->" << hex << pIX << endl;
    cout << "虛表指針 pIY->" << hex << pIY << endl;
    pCom->GetNum(10);
    cout << "類成員變量 m_Num 地址:"<<hex<<&pCom->m_Num << endl;

    cout << endl;
    printf("CCom 類佔據的內存大小:%d\n", sizeof(CCom));
    cout << "虛表 IX 地址->" << hex << *(int*)pIX << endl;
    cout << "虛表 IY 地址->" << hex << *(int*)pIY << endl;
    cout << "成員變量 m_Num ->" << *((int*)pIY + 1) << endl;

    delete pCom;
    pCom = NULL;
    return 0;
}

運行結果：
this 指針地址：003BE380
實例指針 pCom->003BE380
虛表指針 pIX->003BE380
虛表指針 pIY->003BE384
類成員變量 m_Num 地址:003BE388

CCom 類佔據的內存大小:12
虛表 IX 地址->e0ab58
虛表 IY 地址->e0ab70
成員變量 m_Num ->a

分析程序的運行結果：
CCom類的大小爲12，首地址爲0x003BE380（也是pIX的地址），接下來是pIY，接下來是成員變量m_Num地址。我們可以得出類實例的內存分佈：
0x003BE380 -> this,pIX (虛表指針與實例指針)
0x003BE384 -> pIY (pIY虛表指針地址)
0x003BE388 -> m_Num (成員變量)

類的繼承關係：

實例地址的內存分佈（兩個虛表(__vfptr)指針加一個成員變量）：

this、pIX的值爲0x00e0ab58，pIY的值爲0x00e0ab70，m_Num的值爲0x0000000a
不難發現：內存中是根據繼承書寫的先後順序排布的（依次IX、IY）。

虛表（__vfptr）結構

pIX與pIY分別指向了兩個虛表的首地址。虛表中分別存放着我們的虛函數FX1、FX2與FY1、FY2的函數地址，通過該地址訪問函數。

跟進虛表（_vfptr）IX的地址 0x00E0AB58

虛表一有四個虛函數地址，對應着FX1，FX2，GetNum，OutPut函數的地址
爲什麼GetNum與OutPut在虛表一中？
1、子類的虛函數在父類虛函數的末尾，如果有多個虛函數列表，子類的虛函數在第一個虛表的後面
2、虛函數是根據聲明的順序放入虛表中的

調用基類純虛函數的反彙編示例,瞭解虛函數的調用過程

mov eax,dword ptr [pIX]//取出pIX指針的值 0051E380 （虛表指針的值）存入 EAX 寄存器中
mov edx,dword ptr [eax]//取出 EAX 寄存器處的DWORD值 013EAB58 （虛表首地址）存入EDX寄存器
mov esi,esp//將棧頂指針存放到ESI寄存器，方便後面進行堆棧溢出檢查
mov ecx,dword ptr [pIX]//取出pIX指針的值 0051E380 存入 ECX 寄存器中
mov eax,dword ptr [edx]//取出 EDX 寄存器處的DWORD值 013E11D1 （虛表中FX1的地址）存入EAX寄存器
call eax//調用函數地址爲EAX中的DWORD值（013E11D1）處的函數，也就是FX1函數的首地址

//以下兩句爲檢查棧頂指針以及進行RTC錯誤動態檢查（VS編譯器中的優化）
cmp esi,esp
call __RTC_CheckEsp (013E111DBh)

對比繼承的純虛函數、子類自己的虛函數和普通成員函數的調用過程

1）不難看出，調用基類的純虛函數（或虛函數）與調用子類自己的彙編實現是在編譯時就實現的，在實現過程中均是先取出虛表指針值，然後找到虛表指針所指向虛表的首地址，再在首地址中找到所需要調用的函數的首地址，進行call指令調用
2）調用普通的成員函數，直接將數據進行壓棧，然後調用成員函數地址即可（成員函數的地址在編譯階段就固定）
3）對照反彙編代碼，我們可以清楚的看到虛表的調用過程遠比調用普通的成員函數複雜，這也是虛表的一個小缺點。
注：虛表在編譯時就已經形成，同一個類的不同實例使用的是同一張虛表，我們看下我聲明兩個實例pCom與pCom2的虛表地址