C++ | 动多态的发生时机

探究动多态的发生时机

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有了虚函数和虚函数表为动多态提供支持，从而可以实现C++语言的动多态。那么，问题又来了。

动多态的发生时机是什么？
或者说，动多态发生有哪些条件与限制呢？

下面让我们一起来探究动多态的秘密，揭示动多态的发生时机。


详细步骤：
1、虚函数与普通函数的调用
2、利用汇编代码分析动多态
3、初步探究动多态调用方式
4、深入探究动多态发生时机
5、总结

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1、虚函数与普通函数的调用

我们已经知道，在调用虚函数时会通过虚表中保存的虚函数入口地址来调用。那么试想一下，如果类中既含有虚函数又含有普通函数，他们调用的方式又有何不同呢？

现有以下代码，基类中既有虚函数又有普通的类成员函数。

#include <iostream>

class Base		//定义基类
{
public:
	Base(int a) :ma(a) {}
	virtual void Show()
	{
		std::cout << "Base: ma = " << ma << std::endl;
	}
	void Print()
	{
		std::cout << "Base: This is print " << std::endl;
	}
protected:
	int ma;
};
class Deriver : public Base		//派生类
{
public:
	Deriver(int b) :mb(b), Base(b) {}
	void Show()
	{
		std::cout << "Deriver: mb = " << mb << std::endl;
	}
protected:
	int mb;
};

int main()
{
	Base* pb = new Deriver(10);		
	pb->Show();
	pb->Print();
	return 0;
}

输出结果：

2、利用汇编代码分析动多态

输出结果毫无疑问是正确的，要想理解程序在运行时究竟做了什么，我们需要在汇编层次上进行探究

/* 以下代码段为：
	pb->Show();
	pb->Print();
	return 0;
*/
	pb->Show();
00766512  mov         eax,dword ptr [pb]  
00766515  mov         edx,dword ptr [eax]  
	pb->Show();
00766517  mov         esi,esp  
00766519  mov         ecx,dword ptr [pb]  
0076651C  mov         eax,dword ptr [edx]  
0076651E  call        eax  					// ⑴
00766520  cmp         esi,esp  
00766522  call        __RTC_CheckEsp (07612DFh)  
	pb->Print();
00766527  mov         ecx,dword ptr [pb]  
0076652A  call        Base::Print (07614BFh)  // ⑵
	return 0;
0076652F  xor         eax,eax  

先不看其他汇编代码具体有什么含义，在上述 ⑴ 、⑵ 标出的位置上，都执行了 call 指令（call指令是计算机转移到调用的子程序）。

• 在 ⑴ 处，call eax ，eax寄存器是在运行阶段暂存了某个变量的值，结合 call 指令我们可以得知，eax 中应该存放的就是 Deriver::Show() 的入口地址。通过在运行阶段确定函数的入口地址，进行动态的绑定
• 在 ⑵处，call Base::Print (07614BFh) 直接 call 了 Base::Print() 的入口地址，说明在编译阶段已经确定了函数的调用，直接写入到指令中，进行了一个静态的绑定。

3、初步探究动多态调用方式

上述中通过简单判断 call 指令从而判断函数是否发生了动多态，下面为了更加深入的探究动多态发生原理，我们稍加修改一下源码测试：

3.1 指针方式调用

/* 修改main 函数中内容如下： */
int main()
{
	Base b(10);
	Deriver d(20);

	Base* pb1 = &b;	//基类指针 指向 基类
	Base* pb2 = &d;	//基类指针 指向 派生类

	Deriver* pd = &d; //派生类指针 指向 派生类

	pb1->Show();
	pb2->Show();
	pd->Show();

	b.Show();
	d.Show();
	return 0;
}

汇编分析：

	pb1->Show();
004365B4  call        eax   /* 动态绑定 */
  
	pb2->Show();
004365C9  call        eax   /* 动态绑定 */

	pd->Show();
004365DE  call        eax   /* 动态绑定 */
  
	b.Show();
004365EA  call        Base::Print (043144Ch)  

	d.Show(); 
004365F2  call        Base::Show (04314B5h)  

在结果中我们发现：动多态发生在指针调用虚函数时

3.2 引用方式调用

我们说在C++中，引用的底层实现是依靠指针来做支持的，理论上引用与指针访问是没有多大区别的。那么我们再来测试一下以引用的方式来访问，探究动多态的发生时机。修改代码如下：

/* 修改main 函数中内容如下： */
int main()
{
	Base b(10);
	Deriver d(20);

	Base& rb1 = b;
	Base& rb2 = d;

	Deriver& rd = d;

	rb1.Show();
	rb2.Show();
	rd.Show();
	
	return 0;
}

汇编分析：

	rb1.Show(); 
006965B4  call        eax   /* 动态绑定 */
 
	rb2.Show();
006965C9  call        eax   /* 动态绑定 */
 
	rd.Show();
006965DE  call        eax   /* 动态绑定 */

通过上述实验，我们初步得出结论：动多态发生在指针调用和引用调用的虚函数上

4、深入探究动多态发生时机

思考：那么。是否所有的动多态都可以通过指针或引用的方式调用实现呢，又或者通过引用调用或指针调用的方式就一定会发生动多态吗？

对于第一问，答案是显而易见的，当然是。调用函数无非就是拿到函数的入口地址，而能发生动多态的只能是（成为虚函数的）类成员函数，无论是通过 this->Show() 、.*运算符、->* 运算符（类成员函数指针） 访问，实质上都是普通的类成员方法访问，而要实现动多态就要具备有以基类指针形式存在，而又可以访问派生类的函数的的特点。因此，动多态只能通过指针或引用的方式实现。

ps：理论上通过类成员函数指针的方式模拟实现C++的动多态，这里引用CSDN的一篇博客函数指针实现多态，有兴趣的可以看看。

4.1 在构造和析构中是否可以发生动多态

对于第二问，我们需要进行以下实验才可得出结论。
在C++或者说在C/C++语言中，一个函数可以调用另一个函数，甚至有自身调用自身的递归调用存在。在C++中，类的构造函数和析构函数也支持这一特点，那么我们猜想在构造或者析构中调用函数能否发生动多态。

探究构造函数：

/* 在构造函数中调用 Show() */
#include <iostream>

class Base		//定义基类
{
public:
	Base(int a) :ma(a) 
	{
		this->Show();	/* 在基类的构造函数中调用 Show（）*/
	}
	virtual void Show()
	{
		std::cout << "Base: ma = " << ma << std::endl;
	}
	void Print()
	{
		std::cout << "Base: This is print " << std::endl;
	}
protected:
	int ma;
};
class Deriver : public Base		//派生类
{
public:
	Deriver(int b) :mb(b), Base(b) {}
	void Show()
	{
		std::cout << "Deriver: mb = " << mb << std::endl;
	}
protected:
	int mb;
};

int main()
{
	Base b(10);
	Deriver d(20);

	return 0;
}

汇编分析：

	Base(int a) :ma(a) 
00021F46  mov         eax,dword ptr [this]  
00021F49  mov         ecx,dword ptr [a]  
00021F4C  mov         dword ptr [eax+4],ecx  
		this->Show();
00021F4F  mov         ecx,dword ptr [this]  
00021F52  call        Base::Show (0213E3h)  
	}

我们可以看到 call Base::Show (0213E3h) 在汇编代码中，发生的是静态的绑定，编译时直接把代码写死在指令段中。

探究析构函数：

/* 添加虚析构函数， 注：在探究析构函数时应取消构造函数中的Show()调用 */
virtual ~Base()
{
	this->Show();
}
/* 汇编分析 */
		this->Show();
00812295  mov         ecx,dword ptr [this]  
00812298  call        Base::Show (08113E3h) 

可以看到，在析构函数中也无法实现函数的动多态调用。

4.2 在普通类成员函数中实现动多态

在普通类成员函数也可以调用函数，下面测试在类成员方法中是否可以实现动多态

/* 在基类的 Print() 函数中调用Show() 
     在main 函数中添加 b.Print()    */
void Print()
{
	this->Show();
	std::cout << "Base: This is print " << std::endl;
}
/* 汇编分析 */
		this->Show();
007D2689  call        eax  

可以看到在普通的类成员方法中是可以实现动多态的。

5、总结

分析：
构造函数内不能发生动多态：构造函数开始工作时对象正在生成，对象不完整
析构函数内不能发生动多态：析构函数开始工作时对象正在销毁，对象不完整

总结： 动多态发生条件

• 1、指针或引用调用虚函数
• 2、对象完整

满足以上条件可以发生动多态。

动多态发生时机为： 在基类指针访问派生类对象中的虚函数时，并且该访问满足动多态的发生条件，即可发生动多态。

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附：
虚函数产生条件：https://blog.csdn.net/weixin_43919932/article/details/104388194