馬瑞敏

（長治學(xué)院 計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)程序的出發(fā)點(diǎn)由問題域中的過程轉(zhuǎn)向問題域中的對象及其相互關(guān)系，更加符合人們對客觀事物的認(rèn)識(shí)，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(shí)現(xiàn)和應(yīng)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(shí)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(shí)現(xiàn)的角度來講可以劃分為兩類：編譯時(shí)多態(tài)和運(yùn)行時(shí)多態(tài)。前者是在編譯時(shí)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(yùn)算符的重載、數(shù)據(jù)類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換和模板都屬于靜態(tài)多態(tài)；后者是在程序運(yùn)行過程中才能動(dòng)態(tài)地確定操作所針對的具體對象，又稱動(dòng)態(tài)多態(tài)?？傮w上說,動(dòng)態(tài)多態(tài)才是真正的多態(tài)性。

2 動(dòng)態(tài)多態(tài)性的實(shí)現(xiàn)

下面根據(jù)程序Pro1.cpp來分析動(dòng)態(tài)多態(tài)性的實(shí)現(xiàn)。

圖1 未實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多態(tài)性的運(yùn)行結(jié)果

圖2 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多態(tài)性的運(yùn)行結(jié)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(yùn)行結(jié)果如圖1所示，沒有實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多態(tài)性。

要實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(guān)鍵字virtual。同時(shí)還需三個(gè)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(guān)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多態(tài)性。運(yùn)行結(jié)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(guān)鍵字，它們也自動(dòng)成為了虛函數(shù)。關(guān)鍵字virtual指示C++編譯器對調(diào)用虛函數(shù)進(jìn)行動(dòng)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?yàn)槭褂脤ο竺{(diào)用函數(shù)時(shí)，函數(shù)調(diào)用與函數(shù)的實(shí)現(xiàn)在編譯階段已經(jīng)確定，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)綁定，而指針或引用在程序運(yùn)行過程中可能會(huì)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(shí)，對應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)代碼需要在程序運(yùn)行過程中才能夠進(jìn)行綁定，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多態(tài)性。一個(gè)聲明或繼承了虛函數(shù)的類稱為多態(tài)類。

3 動(dòng)態(tài)多態(tài)性底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究

動(dòng)態(tài)多態(tài)主要通過類的繼承關(guān)系和虛函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。虛函數(shù)的底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制并未標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)前主流的C++編譯器如Visual C++、Borland C++等實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)的技術(shù)不盡相同，但基本都包含如下思想：程序運(yùn)行時(shí)，編譯器為每個(gè)多態(tài)類創(chuàng)建一個(gè)虛函數(shù)表vtable，表中按虛函數(shù)的聲明順序保存每個(gè)虛函數(shù)運(yùn)行時(shí)在內(nèi)存中的地址；同時(shí)還自動(dòng)為該類增加一個(gè)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(dāng)用多態(tài)類定義的對象時(shí)，對象將自動(dòng)有了一個(gè)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(shí)現(xiàn)機(jī)制

程序運(yùn)行時(shí)，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(gè)虛函數(shù)，就會(huì)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(huì)基類中的該函數(shù)。僅當(dāng)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(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)的多態(tài)性關(guān)鍵所在。下面分兩種情況詳細(xì)討論Visual C++環(huán)境下虛函數(shù)的底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

3.1 單繼承下的動(dòng)態(tài)多態(tài)性實(shí)現(xiàn)機(jī)制

假設(shè)存在如圖4所示繼承關(guān)系的兩個(gè)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(guān)系下包含虛函數(shù)UML圖

圖5 單繼承下虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dāng)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(shí)，vptr會(huì)在派生類的虛函數(shù)表中查找對應(yīng)的函數(shù)的入口地址，調(diào)用對應(yīng)派生類對象的成員函數(shù)f（），實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多態(tài)性。

圖6 單繼承下的動(dòng)態(tài)多態(tài)性實(shí)現(xiàn)機(jī)制

3.2 多繼承下的動(dòng)態(tài)多態(tài)性實(shí)現(xiàn)機(jī)制

假設(shè)存在如圖7所示多繼承關(guān)系的三個(gè)類。Derived類重寫了基類的虛函數(shù)f（）。如果派生類的多個(gè)基類含有虛函數(shù)，編譯系統(tǒng)會(huì)為它創(chuàng)建多個(gè)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(gè)虛函數(shù)表中。如果多繼承關(guān)系中派生類重寫了基類的某個(gè)虛函數(shù)，依然遵循覆蓋原則，即在其每個(gè)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(guān)系下包含虛函數(shù)UML圖

圖8 多繼承下的動(dòng)態(tài)多態(tài)性實(shí)現(xiàn)機(jī)制

4 結(jié)語

多態(tài)性是OOP的有力工具。適當(dāng)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(kuò)充性。本文對C++語言中動(dòng)態(tài)多態(tài)性的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析，并通過相關(guān)實(shí)例和內(nèi)存布局圖對其在單繼承和多繼承關(guān)系下的底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了研究，給出了動(dòng)態(tài)多態(tài)性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的有效方法。

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