C++的多態如何在編譯和運行期實現

多態是什麼？簡單來說，就是某段程序調用了一個API接口，但是這個API有許多種實現，根據上下文的不同，調用這段API的程序，會調用該API的不同實現。今天我們只關注繼承關系下的多態。

還是得通過一個例子來看看C++是怎樣在編譯期和運行期來實現多態的。很簡單，定義了一個Father類，它有一個testVFunc虛函數喲。再定義了一個繼承Father的Child類，它重新實現了testVFunc函數，當然，它也學習Father定義了普通的成員函數testFunc。大家猜猜程序的輸出是什麼？

[cpp]

1. #include <iostream>
2. using namespace std;
4. class Father
5. {
6. public:
7. int m_fMember;
9. void testFunc(){
10. cout<<"Father testFunc "<<m_fMember<<endl;
11. }
12. virtual void testVFunc(){
13. cout<<"Father testVFunc "<<m_fMember<<endl;
14. }
15. Father(){m_fMember=1;}
16. };
18. class Child : public Father{
19. public:
20. int m_cMember;
21. Child(){m_cMember=2;}
23. virtual void testVFunc(){cout<<"Child testVFunc "<<m_cMember<<":"<<m_fMember<<endl;}
24. void testFunc(){cout<<"Child testFunc "<<m_cMember<<":"<<m_fMember<<endl;}
25. void testNFunc(){cout<<"Child testNFunc "<<m_cMember<<":"<<m_fMember<<endl;}
26. };
29. int main()
30. {
31. Father* pRealFather = new Father();
32. Child* pFalseChild = (Child*)pRealFather;
33. Father* pFalseFather = new Child();
35. pFalseFather->testFunc();
36. pFalseFather->testVFunc();
38. pFalseChild->testFunc();
39. pFalseChild->testVFunc();
40. pFalseChild->testNFunc();
42. return 0;
43. }

同樣調用了testFunc和testVfunc，輸出截然不同，這就是多態了。它的g++編譯器輸出結果是：

[cpp]

1. Father testFunc 1
2. Child testVFunc 2:1
3. Child testFunc 0:1
4. Father testVFunc 1
5. Child testNFunc 0:1

看看main函數裡調用的五個test*Func方法吧，這裡有靜態的多態，也有動態的多態。編譯是靜態的，運行是動態的。以下解釋C++編譯器是怎麼形成上述結果的。

首先讓我們用gcc -S來生成匯編代碼，看看main函數裡是怎麼調用這五個test*Func方法的。

[cpp]

1. movl $16, %edi
2. call _Znwm
3. movq %rax, %rbx
4. movq %rbx, %rdi
5. call _ZN6FatherC1Ev
6. movq %rbx, -32(%rbp)
7. movq -32(%rbp), %rax
8. movq %rax, -24(%rbp)
9. movl $16, %edi
10. call _Znwm
11. movq %rax, %rbx
12. movq %rbx, %rdi
13. call _ZN5ChildC1Ev
14. movq %rbx, -16(%rbp)
15. movq -16(%rbp), %rdi
16. <span style="color:#ff0000;"> call _ZN6Father8testFuncEv 本行對應pFalseFather->testFunc();</span>
17. movq -16(%rbp), %rax
18. movq (%rax), %rax
19. movq (%rax), %rax
20. movq -16(%rbp), %rdi
21. <span style="color:#ff0000;"> call *%rax 本行對應pFalseFather->testVFunc();</span>
22. movq -24(%rbp), %rdi
23. <span style="color:#ff0000;"> call _ZN5Child8testFuncEv 本行對應pFalseChild->testFunc();</span>
24. movq -24(%rbp), %rax
25. movq (%rax), %rax
26. movq (%rax), %rax
27. movq -24(%rbp), %rdi
28. <span style="color:#ff0000;"> call *%rax 本行對應pFalseChild->testVFunc(); </span>
29. movq -24(%rbp), %rdi
30. <span style="color:#ff0000;"> call _ZN5Child9testNFuncEv 本行對應pFalseChild->testNFunc(); </span>
31. movl $0, %eax
32. addq $40, %rsp
33. popq %rbx
34. leave

紅色的代碼，就是在依次調用上面5個test*Func。可以看到，第1、3次testFunc調用，其結果已經在編譯出來的匯編語言中定死了，C++代碼都是調用某個對象指針指向的testFunc()函數，輸出結果卻不同，第1次是：Father testFunc 1，第3次是：Child testFunc 0:1，原因何在？在編譯出的匯編語言很明顯，第一次調用的是_ZN6Father8testFuncEv代碼段，第三次調用的是_ZN5Child8testFuncEv代碼段，兩個不同的代碼段！編譯完就已經決定出同一個API用哪種實現，這就是編譯期的多態。