多態(tài)問題

筆者校招面試時被問到了著名問題「C++ 與 Java 如何實現(xiàn)多態(tài)」，然后不幸翻車。過于著名反而沒有去準備，只知道跟虛函數(shù)表有關(guān)。面試之后比較了 C++ 和 Java 多態(tài)的實現(xiàn)的異同，一并記錄在這里。

C++ 多態(tài)的虛指針實現(xiàn)

首先討論 C++. 多態(tài)也即子類對父類成員函數(shù)進行了重寫 (Override) 后，將一個子類指針賦值給父類，再對這個父類指針調(diào)用成員函數(shù)，會調(diào)用子類重寫版本的成員函數(shù)。簡單的例子：

class Parent1 {
  public:
  virtual void sayHello() { printf("Hello from parent1!\n"); }
};

class Child : public Parent1 {
  public:
  virtual void sayHello() { printf("Hello from child!\n"); }
};

int main() {
  Parent1 *p = new Child();
  p->sayHello();  // get "Hello from child!"
}

首先需要明白，對于底層實現(xiàn)而言，成員函數(shù)就是第一個參數(shù)為對象指針的函數(shù)，編譯器自動將對象指針添加到函數(shù)參數(shù)中并命名為 this 指針，除此之外與普通函數(shù)并無本質(zhì)不同。對于非多態(tài)的成員函數(shù)調(diào)用，與非成員函數(shù)調(diào)用過程基本是一致的，根據(jù)參數(shù)列表（參數(shù)列表中包含對象指針類型）和函數(shù)名在編譯時確定實際調(diào)用的函數(shù)。

為了實現(xiàn)多態(tài)，不能只根據(jù)對象指針類型推斷函數(shù)簽名，也即例子中，p->sayHello() 這一行代碼在執(zhí)行時不能只根據(jù) p 的類型確認調(diào)用的函數(shù)應該是 Parent::sayHello 還是 Child:sayHello。在多態(tài)機制下，每個類父類和子類都需要在其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中多攜帶一個指針，這個指針指向該類的虛函數(shù)表。

類的虛函數(shù)表也即所有可能發(fā)生重寫的函數(shù)指針表，對象創(chuàng)建時根據(jù)其實際類型決定其虛函數(shù)指針指向的虛函數(shù)列表。如在上文的例子中，Parent1 和 Child 類的虛函數(shù)列表都只有一個函數(shù)，分別是 Parent1::sayHello 和 Child::sayHello. 編譯器在編譯時將會把函數(shù)調(diào)用翻譯為「引用虛函數(shù)表中的第 N 個函數(shù)」這樣的指令，比如本例中翻譯為「引用虛函數(shù)表中第一個函數(shù)」。在運行時讀取虛函數(shù)表中真正的函數(shù)指針。運行時 CPU 代價基本是一次指針解引用和一次下表訪問。

Parent1 和 Child 對象都沒有自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。運行以下代碼能夠確認 Parent1 和 Child 對象的真實數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大小都是 8 字節(jié)，也即只有虛函數(shù)列表指針。把 Parent1 和 Child1 對象作為 64 位整數(shù)輸出，可以看到 p1, p2 的值相同，p3 與前兩者不同。這個值也即相應類的虛函數(shù)表地址。

Parent1* p1 = new Parent1();
Parent1* p2 = new Parent1();
Parent1* p3 = new Child();
printf("sizeof Parent1: %d, sizeof Child: %d\n",
  sizeof(Parent1), sizeof(Child));
printf("val on p1: %lld\n", *(int64_t*)p1);
printf("val on p2: %lld\n", *(int64_t*)p2);
printf("val on p3: %lld\n", *(int64_t*)p3);

C++ 多態(tài)與多重繼承

有一個非常有意思的問題：C++ 發(fā)生多重繼承時，如何支持多態(tài)。剛剛提到，多態(tài)的原理是編譯器將成員函數(shù)調(diào)用編譯為「引用虛函數(shù)表中第 N 個函數(shù)」，虛函數(shù)表在對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的位置和要調(diào)用虛函數(shù)列表中的第幾個函數(shù)在編譯時都是需要確定的。多重繼承對象如果只有一個虛函數(shù)列表，那不同父類的虛函數(shù)列表中的位置就要發(fā)生沖突。如果有多個虛函數(shù)列表，編譯時就難以確定虛函數(shù)列表指針在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的位置。C++ 采取了非常精妙的做法：將所有父類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（包括虛指針列表）在該對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上依次排列，該對象的指針正常指向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)起始位置。當指針發(fā)生類型轉(zhuǎn)換時，C++ 編譯器會對指針的值盡可能的進行調(diào)整，使其指向該指針類型應該對應的位置。指針的值在這個過程中發(fā)生了變化。

比如，Child 類繼承了 Parent1, Parent2 兩個類，則在 Child 指針轉(zhuǎn)換為 Parent1 指針時，不對指針的值進行調(diào)整，因為 Parent1 是 Child 的第一個父類。但將 Child 轉(zhuǎn)換為 Parent2 時，需要將指針指增加 Parent1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)長度的值，使指針指向?qū)?Parent2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開始位置。在本例子中，Parent1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只有虛函數(shù)列表指針，在 64 位機器上長度為 8. 因此，在 Child 指針轉(zhuǎn)換為 Parent2 指針時，其值增加了 8.

class Parent1 {
  public:
  virtual void sayHello() { printf("Hello from parent1!\n"); }
};

class Parent2 {
  public:
  virtual void sayHi() { printf("Hi from Parent2!\n"); }
};

class Child : public Parent1, public Parent2 {
  public:
  virtual void sayHello() { printf("Hello from child!\n"); }
  virtual void sayHi() { printf("Hi from child!\n"); }
};

int main() {
  Child *p = new Child();
  printf("size of Child: %d", sizeof(Child));
  printf("pointer val as Child*: %lld\n", int64_t(p));
  printf("pointer val as Parent1*: %lld\n", int64_t((Parent1*)p));
  printf("pointer val as Parent2*: %lld\n", int64_t((Parent2*)p));
}

運行這段代碼，會發(fā)現(xiàn) Child 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大小增長到 16，也即兩個指針。并且指針的值在后兩次類型轉(zhuǎn)換時是不同的，在 64 位機器上相差 8 個字節(jié)，也即 Parent1 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大小。另外如果將 p 轉(zhuǎn)換成 Void 指針再轉(zhuǎn)換為 Parent 指針，此時編譯器就不能正確推斷這個偏移量，此時就會發(fā)生未定義行為。

這個特性其實說明了一個非常有意思的事實：C++ 編譯器在編譯時能夠推斷指針的偏移量，那么編譯器也應該可以推斷該指針指向?qū)ο蟮恼鎸嶎愋?。那么，既然可以編譯時推斷對象真實類型，那要虛函數(shù)表又有何用？直接推斷正確的函數(shù)調(diào)用不就可以了嗎？問題在于，如果真的在編譯時推斷多態(tài)函數(shù)調(diào)用，就意味著要為不同類型的對象生成不一樣的二進制代碼。同一行代碼，根據(jù)指針值的不同，產(chǎn)生的函數(shù)調(diào)用不同。這樣一來也意味第三方庫需要提供源代碼，來進行相關(guān)的推斷，類似于模板庫。這都是不可接受的，因此虛函數(shù)列表仍然有必要。借助虛函數(shù)列表，使用指針的代碼能夠生成一致的機器碼。
從另一個角度理解，編譯器在編譯一個完整的 App 時確實能夠推斷所有變量的真實類型，但這需要聯(lián)系過多上下文。編譯一段代碼卻需要這段代碼輸入?yún)?shù)的除類型之外的上下文信息，并根據(jù)上下文信息生成不同的二進制文件，這是不可接受的。

Java 多態(tài)比較

由于 Java 的多態(tài)機制比 C++ 簡單，理論上可以使用 C++ 的機制實現(xiàn) Java 多態(tài)。但 C++ 跟 Java 有一點決定性的不同：C++ 要求父類成員方法必須有 Virtual 關(guān)鍵字修飾時才能被重寫。這就意味著編譯器在編譯父類時就能確認那些函數(shù)可能被重寫，于是可以對不可能重寫的函數(shù)直接在編譯時決定調(diào)用的具體函數(shù)，而對可能重寫的函數(shù)使用虛指針表處理。而 Java 的方法默認都是可以重寫的，因此可以認為 Java 方法調(diào)用都需要經(jīng)過查詢虛函數(shù)列表的過程，會比 C++ 不重寫函數(shù)多一點開銷。

Java 不支持多重繼承，但 Java 支持接口 Interface, 接口跟多重繼承有相似之處，不能簡單的使用一個虛函數(shù)表查找。類需要為其實現(xiàn)的每個 Interface 生成一個虛函數(shù)列表，跟 C++ 的情況類似。OpenJDK 文檔指出，在類定義中找到 Interface 的虛函數(shù)列表的辦法是很粗暴的：在類實現(xiàn)的所有 Interface 列表中遍歷查找。文檔中指出，真正的多重繼承是罕見的，通?？梢詺w結(jié)為單繼承。對此遍歷過程可能有各種優(yōu)化，筆者沒有深入了解。

思考 Java 和 C++ 的一點不同：C++ 沒有運行時類型，由編譯器在編譯時盡力保證指針指向的位置有對象正確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。將子類指針賦值給父類指針變量時，編譯器盡力對其進行調(diào)整，但如果發(fā)生了 Void 指針賦值等，則編譯器無法保證指針指向的位置有正確的對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這一步只要語法上沒有錯誤，就不會立即報錯，編譯器也無法確認是否會發(fā)生問題，一定要等到該指針實際進行解引用等發(fā)生異常才會報錯。Java 有運行時類型，在將對象賦值給不同的類型的變量時，會在運行時進行類型檢查，如果沒有正確的類型繼承關(guān)系，會在賦值時報錯。

另外，對比 Java 的 Interface 和 C++ 的多重繼承，會發(fā)現(xiàn) Interface 的運行時時間開銷要比 C++ 多重繼承大得多。但是 C++ 多重繼承需要為每個父類附加一個指針，并且編譯器在編譯時需要完成更多的工作。Java 相對于 C++ 是更加「強類型」的語言。

到此這篇關(guān)于C++中的多態(tài)與多重繼承實現(xiàn)與Java的區(qū)別的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ 多態(tài)與多重繼承內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！