C++是如何实现多态的

结论：C++通过虚函数来实现多态的，根本原因是派生类和基类的虚函数表的不同。

构成多态的必要条件有如下3点：

存在继承关系
基类存在虚函数，且派生类有相同原型的函数遮蔽它
存在基类类型的指针指向派生类对象，且该指针调用了存在遮蔽关系的虚函数

如下图，就是一个简单的多态的例子：（实验环境:vs2019）

大猪眉头一皱，觉得事情并不简单。

针对上述实验结果，有个疑点：

基类指针是如何知道要调用派生类的f函数，而不是基类的f函数的呢？

这其中的奥秘，还是要从内存模型开始探索。谈到内存模型，那么我们先探讨最简单的——这个对象有多大吧（或者说这个对象占几个字节的内存吧）。

如上图所示，A的大小在32位编译模式下是4字节，在64位编译模式下是8字节，由此可见，A内存模型里面肯定有个指针！（原因：https://blog.csdn.net/qq_18138105/article/details/105209406）

那么继续深入分析对象的内存模型，这个指针到底指向什么呢？

实际上，这个指针指向一个数组，数组中的每个元素都是虚函数的入口地址，这个数组也就是虚函数表（存在于C++内存模型中的常量区）！由于虚函数表和对象在内存上是分开存储的(虚函数在C++内存模型中的代码区，对象在C++内存模型中的堆区，指向对象的指针在C++内存模型的栈区)，因此，就需要在对象中需要安插一个指向这个虚函数表的指针！

我们再看一个例子：

各个对象的内存模型如下(我用cocos creator画的)：

如上图所示，对象内存和虚函数表内存分开的，对象的*vfptr指向对应的虚函数表。（注意：和很多博客画的图不同，为了直观！我是把处于内存高地址的放上面，处于内存低地址的放下面）

仔细观察派生类B的虚函数表：

派生类如果存在对基类有遮蔽关系的虚函数，则在虚函数表中则取派生类的这个虚函数的入口地址，如&B::f
对于未被派生类遮蔽的基类的虚函数，派生类的虚函数表则取基类的这个虚函数的入口地址，如&A::g
派生类新增的虚函数，依次往虚函数表后面加，如&B::h

因此，我们通过指针调用虚函数时，先根据指针找到对象里的vfptr来定位到虚函数表，然后通过虚函数在虚函数表中的索引值来得到虚函数的入口地址。

比如 a->f()，实际上编译器会这么处理 (*(*(a+0)+0))(a)

a+0 是 a对象 vfptr 的地址
*(a+0)是 vfptr的值，又 vfptr 是指向虚函数表的指针，因此 *(a+0) 也是虚函数表的首地址
由于 A::f 函数在虚函数表中的索引是0，因此 (*(a+0)+0)就是获取 A::f 函数的入口地址
知道了A::f 函数的地址，*(*(a+0)+0) 就是对 A::f 的调用
把a对象的指针传入 A::f, 就是a作为 A::f 的 this指针！

同理，调用 b->f() ，也是一样的，只不过访问的是 B的虚函数表，最后调用的是 B::f，而不是 A::f，这就解释了 “基类指针是如何知道要调用派生类的f函数，而不是基类的f函数” 的问题，就是因为虚函数表的不同。

疑问虽然已经解决了，但是我们还是要继续细探究竟！经过下面的实验，得出的结果和内存模型完全相符！

#include <iostream>
using namespace std;class A {public:A() : a(100) {}virtual void f() {cout << "A::f" << endl;}virtual void g() {cout << "A::g" << endl;}
protected:int a;
};class B : public A {public:B() : b(50) {}virtual void f() {cout << "B::f" << endl;}virtual void h() {cout << "B::h" << endl;}
protected:int b;
};// 定义一个 参数为 A*类型 返回值是 void 的 函数指针 Fun
typedef void (*Fun)(A*);// 指针值类型（64位编译模式下是long long， 32位编译模式下是int）
#ifdef _WIN64
#define ptr_value long long
#else
#define ptr_value int
#endif
// 根据对象指针和偏移量 获取 指针值类型的指针
#define ptr(obj, offset) ((ptr_value*)obj+offset)int main() {A* a = new A;A* b = new B;// 接下来探究 a对象 和 b对象 的 内存模型 //ptr_value a_vfptr_value = *ptr(a, 0); // a_vfptr的值 即 b的虚函数表的首地址((Fun)*ptr(a_vfptr_value, 0))(a); // A::f((Fun)*ptr(a_vfptr_value, 1))(a); // A::g    ptr_value a_a = *ptr(a, 1); // a对象 的 int a成员cout << (int)a_a << endl; // 100ptr_value b_vfptr_value = *ptr(b, 0); // b_vfptr的值 即 b的虚函数表的首地址((Fun)*ptr(b_vfptr_value, 0))(b); // B::f((Fun)*ptr(b_vfptr_value, 1))(b); // A::g    ((Fun)*ptr(b_vfptr_value, 2))(b); // B::hptr_value b_a = *ptr(b, 1); // b对象 的 int a成员cout << (int)b_a << endl; // 100ptr_value b_b = *ptr(b, 2); // b对象 的 int b成员cout << (int)b_b << endl; // 50return 0;
}

因此，只要理解了虚函数表，C++的多态自然就迎刃而解了。

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