李明明 管志偉

摘要：簡(jiǎn)要分析了虛函數(shù)，純虛函數(shù)，函數(shù)的重載和覆蓋，著重描述了多態(tài)的概念，綁定，使用方法以及實(shí)現(xiàn)原理。

關(guān)鍵詞：多態(tài)；虛函數(shù)；動(dòng)態(tài)綁定；靜態(tài)綁定多態(tài)(polymorphism)一詞最初來(lái)源于希臘語(yǔ)polumorphos，含義是具有多種形式或形態(tài)的情形。在程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域，C++是目前面向?qū)ο笳Z(yǔ)言中使用最廣泛的語(yǔ)言之一，多態(tài)性是面向?qū)ο蟮暮诵募夹g(shù)，理解多態(tài)，是掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的必經(jīng)之路。

為了理解多態(tài)，我們必須清楚什么是虛函數(shù)？什么是純虛函數(shù)？為什么要引入虛函數(shù)和純虛函數(shù)？它們?cè)诙鄳B(tài)的實(shí)現(xiàn)上分別有什么作用？它們之間又有什么區(qū)別？

1虛函數(shù)

定義：用virtual關(guān)鍵字申明的函數(shù)叫做虛函數(shù)，虛函數(shù)肯定是類(lèi)的成員函數(shù)。

引入原因：為了方便使用多態(tài)特性，我們需要在基類(lèi)中定義虛函數(shù)。

作用：虛函數(shù)的作用是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)編，也就是在程序的運(yùn)行階段動(dòng)態(tài)地選擇合適的成員函數(shù)，。

這里注意：抽象類(lèi)即含有純虛函數(shù)的類(lèi)。

2純虛函數(shù)

定義：虛函數(shù)再加上=0。

引入原因：在很多情況下，基類(lèi)本身生成對(duì)象是不合情理的。例如，動(dòng)物作為一個(gè)基類(lèi)可以派生出熊貓、野豬等子類(lèi)，但動(dòng)物本身生成對(duì)象明顯不合常理。為了解決上述問(wèn)題，將函數(shù)定義為純虛函數(shù)，若要使派生類(lèi)為非抽象類(lèi)，則編譯器要求在派生類(lèi)中，必須對(duì)純虛函數(shù)予以重寫(xiě)以實(shí)現(xiàn)多態(tài)性。

作用：通過(guò)基類(lèi)的派生類(lèi)以純虛函數(shù)為接口實(shí)現(xiàn)有意義的虛函數(shù)定義。

虛函數(shù)和純虛函數(shù)的區(qū)別

⑴虛函數(shù)的作用是這個(gè)函數(shù)在子類(lèi)里面可以被重載，運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)綁定實(shí)現(xiàn)多態(tài)純虛函數(shù)是個(gè)接口，在基類(lèi)中不實(shí)現(xiàn)，要等到子類(lèi)中去實(shí)現(xiàn)。

⑵虛函數(shù)在子類(lèi)里可以不重載，但是虛函數(shù)必須在子類(lèi)里去實(shí)現(xiàn)。

輔助性理論分析結(jié)束，跨入正題，什么是多態(tài)？多態(tài)的作用是什么？它的實(shí)現(xiàn)原理具體是什么？

⑴定義：對(duì)于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（OOP）的核心——“多態(tài)”，引用Charlie Calverts對(duì)多態(tài)的描述——“多態(tài)”即是允許你將父對(duì)象設(shè)置成為和一個(gè)或更多的他的子對(duì)象相等的技術(shù)，賦值之后，父對(duì)象就可以根據(jù)當(dāng)前賦值給它的子對(duì)象的特性以不同的方式運(yùn)作。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是“一個(gè)接口，多種方法”。

⑵作用：把不同的子類(lèi)對(duì)象都當(dāng)作父類(lèi)來(lái)看，可以屏蔽不同子類(lèi)對(duì)象之間的差異，寫(xiě)出通用的代碼，做出通用的編程，以適應(yīng)需求的不斷變化。

3實(shí)現(xiàn)原理

因?yàn)榫幾g器在編譯的時(shí)候，就已經(jīng)確定了對(duì)象調(diào)用的函數(shù)的地址，默認(rèn)執(zhí)行基類(lèi)中函數(shù)方法，此時(shí)屬于靜態(tài)綁定。為了能在派生類(lèi)中使用名稱(chēng)相同但執(zhí)行命令不同的方法，就必須要使用動(dòng)態(tài)綁定（late binding）技術(shù)，即函數(shù)調(diào)用的地址在運(yùn)行時(shí)才確定。要讓編譯器采用動(dòng)態(tài)綁定，就要在基類(lèi)中聲明函數(shù)時(shí)使用virtual關(guān)鍵字。

編譯器在編譯的時(shí)候，會(huì)為每個(gè)包含虛函數(shù)的類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)虛表（即vtable），前面已經(jīng)提到，該表是一個(gè)一維數(shù)組，在這個(gè)數(shù)組中存放每個(gè)虛函數(shù)的地址。

那么如何定位虛表呢？

編譯器另外還為每個(gè)類(lèi)的對(duì)象提供了一個(gè)虛表指針（即vptr），這個(gè)指針指向了對(duì)象所屬類(lèi)的虛表。在程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)對(duì)象的類(lèi)型去初始化vptr，從而讓vptr正確的指向所屬類(lèi)的虛表，從而在調(diào)用虛函數(shù)時(shí)，就能夠找到正確的函數(shù)。

在虛表指針沒(méi)有正確初始化之前，我們不能夠去調(diào)用虛函數(shù)。那么虛表指針在什么時(shí)候，或者說(shuō)在什么地方初始化呢？

在構(gòu)造函數(shù)中進(jìn)行虛表的創(chuàng)建和虛表指針的初始化。對(duì)于虛函數(shù)調(diào)用來(lái)說(shuō)，每一個(gè)對(duì)象內(nèi)部都有一個(gè)虛表指針，該虛表指針被初始化為本類(lèi)的虛表。所以在程序中，不管你的對(duì)象類(lèi)型如何轉(zhuǎn)換，但該對(duì)象內(nèi)部的虛表指針是固定的，因此，動(dòng)態(tài)的對(duì)象函數(shù)調(diào)用得以實(shí)現(xiàn)，這就是C++多態(tài)性實(shí)現(xiàn)的原理。

4結(jié)語(yǔ)

類(lèi)的多態(tài)性，是指用虛函數(shù)和延遲綁定來(lái)實(shí)現(xiàn)的。函數(shù)的多態(tài)性是函數(shù)的重載。一般情況下（沒(méi)有涉及virtual函數(shù)），當(dāng)我們用一個(gè)指針調(diào)用一個(gè)函數(shù)的時(shí)候，被調(diào)用的函數(shù)是取決于這個(gè)指針的類(lèi)型。除此之外，當(dāng)設(shè)計(jì)到多態(tài)性的時(shí)候，采用了虛函數(shù)和動(dòng)態(tài)綁定，此時(shí)的調(diào)用就不會(huì)在編譯時(shí)候確定而是在運(yùn)行時(shí)確定。

[參考文獻(xiàn)]

[1](美)stanley B.LippmanBarbara E.Moo joseeLajoie著.李師賢，等,譯.C++ primer.人民郵電出版社.2006.

[2](美)普拉塔（prata,S）著.孫建春,韋強(qiáng),譯.C++ primer plus.人民郵電出版社.2005.

[3](美)?？藸枺˙ruce Eckel）,(美) Chuck Allison.劉宗田,袁兆山,潘秋菱,等,譯.C++編程思想.機(jī)械工業(yè)出版社.2011.