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 [收藏]深入剖析：C++“多态性”在编译器中的实现(ZT) -- 作者：enorm
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enorm 发表于 2005/12/15 10:04:28 |
| 本文转载自W3CHINA.ORG讨论区(BBS.W3CHINA.ORG) 原文链接作者：enorm以下为原文：深入剖析：C++“多态性”在编译器中的实现(ZT)理论如下内容，属个人的理解．与大家共享．错误之处，请指正程序，就是通过CPU指令（CPU指令就是CPU能识别的二进制流，CPU通过解释指令，能发出各种电流脉冲，以达到控制其他电子电路的状态），对内存中数据资源的操作，也就是改变内存的二进制数，也是改变高低电平。内存中，都是二进制数据，哪是指令，哪是数据?PC指令计数器所指向的内存单元，就是指令。PC指向哪,哪就是指令,所以数据也是指令，指令也是数据，程序只要管好PC寄存器就可以了.语言级上，程序，是由函数和数据组成，函数调用，实际上也是改变PC值，地址转移。数据又分为两种:一种就是在编译时,就分配地址空间.如全局数据一种是在运行时,靠编译器所维护的栈顶指针,相对栈顶指针的偏移量,来分配地址空间.如局部数据.(另一种就是在堆中动态分配的)-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------一个VC工程中，由许多H和CPP文件组成，编译器，负责收集CPP文件（H文件被包含在CPP内）中出现的所有标识或符号，并负责形成逻辑、语法正确的二进制代码（obj文件）连接器，负责确定、调整函数的相对地址，并保证在CPP中，每次函数调用（也就是地址转移），都是有效的，每个对内存数据的访问的地址，是有效的。最终由连接器形成翻译成汇编代码或机器代码。（DLL和EXE可执行的文件）为收集标识和符号，编译器维护一个符号映射表,有3栏（或3个字段）：1。类型栏（变量类型或函数类型，在编译时，由编译器负责填写）2。名字栏（变量名或函数名，在编译时，由编译器负责填写）3。地址栏（是相对地址，成员变量类型的这一栏就放偏移值，加载后，由操作系统重新调整，也就是地址重定位，在连接时，由连接器负责填写）-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------实际应用每声明定义一个变量或成员函数时，编译器就生成一个映射元素如：int a;class A {int m_a;int m_b;void fun1();}生成的两条映射表记录为：名字栏 | 类型栏 | 地址栏() a | int | 指向a的声明定义处，相对地址，加载后，由操作系统重新调整 A::m_a | int | 偏移地址0,运行时，实际地址：this + 0 A::m_b | int | 偏移地址4,运行时，实际地址：this + 4 A::fun1 | A::fun1 | 指向A::fun1()定义处，相对地址，加栽后，由操作系统重新调整有关编译器动态绑定技术，请看如下列：class a{public: virtual fun1(); virtual fun6(); void fun2();/*出现virtual 关键字，编译器为该类创建虚表 索引 | 函数指针 0 | 指向 a::fun1()定义处 1 | 指向 a::fun6()定义处出现成员函数声明，编译器填写映射表名字栏 | 类型栏 | 地址栏a::fun2() | a::fun2 | (由连接器填写)指向a::fun2()定义处*/}//b继承自aclass b :public a{public: virtual fun1(); void fun3();/*虚函数fun1()：重新定义，创建虚表，并继承了父类的虚表项，修改了虚表中第一项（“a::fun1()函数”）的指针，使指向自己定义b::fun1()函数 索引 | 函数指针 0 | 指向 b::fun1()定义处（重定义） 1 | 指向 a::fun6()定义处(没有重定义)出现成员函数fun3()声明，映射表中增加一栏：名字栏 | 类型栏 | 地址栏b::fun3() | b::fun3 | 指向b::fun3()定义处从父类中继承的成员函数fun2()映射表中增加一栏：记录从a继承的fun2()函数名字栏 | 类型栏 | 地址栏b::fun2() | a::fun2 | 指向父类a::fun2()定义处*/}//c继承自aclass c :public a{public: virtual fun6(); void fun4();/*虚函数fun1()：重新定义，创建虚表，并继承了父类的虚表项，修改了虚表中第二项（“a::fun6()函数”）的指针，使指向自己定义c::fun6()函数 索引 | 函数指针 0 | 指向 a::fun1()定义处 1 | 指向 c::fun6()定义处(改写)出现 成员函数fun4()，映射表中增加一栏：名字栏 | 类型栏 | 地址栏c::fun4() | c::fun4 | 指向c::fun4()定义处从父类中继承的成员函数fun2()映射表中增加一栏：记录从a继承的fun2()函数名字栏 | 类型栏 | 地址栏c::fun2() | a::fun2 | 指向父类a::fun2()定义处*/}调用main(){ b var1; c var2; a* p; p = &var1; var1.fun2();/*var1.fun2()调用，静态绑定：编译到此处时，编译器到映射表中找名字栏，找到b::fun2()名字（由于var1为b类型），其对应的类型栏为“函数类型，类型名为a::fun2（因为此函数由a类型定义）”，其地址栏的指针值为“指向a::fun2()定义处”，所以，此处函数调用，被编译器替换为“转向：地址栏的指针值”，实际上可理解为是修改指令记数器的值为“地址栏的指针值”*/*/p->fun2();/*p->fun2()，静态绑定：这个容易理解，编译时，是找“a::fun2（）”名字（因为p是a类型）*/p->fun2()，静态绑定：这个容易理解，编译时，是找“a::fun2（）”名字（因为p是a类型）*/p->fun2()，静态绑定：这个容易理解，编译时，是找“a::fun2（）”名字（因为p是a类型）*/p->fun2()，静态绑定：这个容易理解，编译时，是找“a::fun2（）”名字（因为p是a类型）*/p->fun3();/* p->fun3()，这个调用，可能要发生编译错误，因为类型a没有声明和定义fun3()函数，找不到a::fun3()名字，只有b::fun3()名字*/p->fun1();/*p->fun1();fun1()是个虚函数，同理，编译到此处时，编译器是不是也到映射表中找“a::fun1()”名字呢？不是的。因为，在映射表中，是找不到a::fun1()”这个名字的，因为，fun1()名字声明前有关键字"virtual"，在类声明和定义时，编译器，为每个出现virtual关键字的类，维护一个全局数据结构“虚表”虚表：1。索引；2。函数指针（这值在子类重写虚函数后，发生相应变化）所以上面调用，在编译器发现调用的是“虚函数”时，编译器做了如下处理：将p->fun1() 替换为：p->vptr[offset],vptr名字为虚表指针：由编译器维护（上面提到），每个含虚函数的类，其生成对象，在内存中，首先的四个字节就是vptr，这个值是静态的，同一个类型的所有对象的vptr值相同，指向同一个虚表；offset值随虚函数声明次序而定，如果第一个声明，索引则为0，出现在虚表的第一项，第二个声明则为1，以次。。。（此时offset 为 0 即是：p->vptr[0]）p为基类，可指向子类的任何对象（附加： 1。类型转换实际是：内存切割，管辖内存从大变小，从大变小，现实世界中，是允许，在C++中，也是允许的；编译器不允许基类对象向子类对象的转化，因为从小变大，会导致内存访问越界。 2。指针的类型，实际上决定了通过该指针能访问的内存范围 ），所指向对象的类型不同，vptr不同 所以，p->vptr[0],函数调用地址值在编译时，是不可能确定，主要因为p指针所指向对象不能确定（p是指向b，还是指向c?还是其他。。，但offset是可以确定的）从而，vptr值不能确定，直到程序运行时，p->vptr[0]调用的函数地址，视p所指向对象类型而定如果p指向b子类，则p指向内存中的首4字节的vptr指向b的虚表，虚表第一项的指针指向自己函数定义的地址处如果p指向c子类，则。。。。这种直到运行时，才能确定函数调用地址的方式，即为：“动态绑定”*/p->fun6();/*同上，由于b类未改写需函数fun6(),所以该处调用，实际调用a::fun6()，编译器做如下处理：p->fun6() 变为 p->vptr[1],由于，fun6为第二声明，此时，offset为1*/p = &var2; p->fun1();//动态绑定，同上, 调用a::fun1() p->fun2();//静态，同上p->fun6();//调用c::fun6() p->fun4();//编译出错，因为fun4()非虚函数，编译器在映射表中找不到a::fun4()名字，//除非强行转换：(（c*）p)->fun4()，}虚表：1。索引；2。函数指针（这值在子类重写虚函数后，发生相应变化）所以上面调用，在编译器发现调用的是“虚函数”时，编译器做了如下处理：将p->fun1() 替换为：p->vptr[offset],vptr名字为虚表指针：由编译器维护（上面提到），每个含虚函数的类，其生成对象，在内存中，首先的四个字节就是vptr，这个值是静态的，同一个类型的所有对象的vptr值相同，指向同一个虚表；offset值随虚函数声明次序而定，如果第一个声明，索引则为0，出现在虚表的第一项，第二个声明则为1，以次。。。（此时offset 为 0 即是：p->vptr[0]）p为基类，可指向子类的任何对象（附加： 1。类型转换实际是：内存切割，管辖内存从大变小，从大变小，现实世界中，是允许，在C++中，也是允许的；编译器不允许基类对象向子类对象的转化，因为从小变大，会导致内存访问越界。 2。指针的类型，实际上决定了通过该指针能访问的内存范围 ），所指向对象的类型不同，vptr不同 所以，p->vptr[0],函数调用地址值在编译时，是不可能确定，主要因为p指针所指向对象不能确定（p是指向b，还是指向c?还是其他。。，但offset是可以确定的）从而，vptr值不能确定，直到程序运行时，p->vptr[0]调用的函数地址，视p所指向对象类型而定如果p指向b子类，则p指向内存中的首4字节的vptr指向b的虚表，虚表第一项的指针指向自己函数定义的地址处如果p指向c子类，则。。。。这种直到运行时，才能确定函数调用地址的方式，即为：“动态绑定”*/p->fun6();/*同上，由于b类未改写需函数fun6(),所以该处调用，实际调用a::fun6()，编译器做如下处理：p->fun6() 变为 p->vptr[1],由于，fun6为第二声明，此时，offset为1*/p = &var2; p->fun1();//动态绑定，同上, 调用a::fun1() p->fun2();//静态，同上p->fun6();//调用c::fun6() p->fun4();//编译出错，因为fun4()非虚函数，编译器在映射表中找不到a::fun4()名字，//除非强行转换：(（c*）p)->fun4()，}虚表：1。索引；2。函数指针（这值在子类重写虚函数后，发生相应变化）所以上面调用，在编译器发现调用的是“虚函数”时，编译器做了如下处理：将p->fun1() 替换为：p->vptr[offset],vptr名字为虚表指针：由编译器维护（上面提到），每个含虚函数的类，其生成对象，在内存中，首先的四个字节就是vptr，这个值是静态的，同一个类型的所有对象的vptr值相同，指向同一个虚表；offset值随虚函数声明次序而定，如果第一个声明，索引则为0，出现在虚表的第一项，第二个声明则为1，以次。。。（此时offset 为 0 即是：p->vptr[0]）p为基类，可指向子类的任何对象（附加： 1。类型转换实际是：内存切割，管辖内存从大变小，从大变小，现实世界中，是允许，在C++中，也是允许的；编译器不允许基类对象向子类对象的转化，因为从小变大，会导致内存访问越界。 2。指针的类型，实际上决定了通过该指针能访问的内存范围 ），所指向对象的类型不同，vptr不同 所以，p->vptr[0],函数调用地址值在编译时，是不可能确定，主要因为p指针所指向对象不能确定（p是指向b，还是指向c?还是其他。。，但offset是可以确定的）从而，vptr值不能确定，直到程序运行时，p->vptr[0]调用的函数地址，视p所指向对象类型而定如果p指向b子类，则p指向内存中的首4字节的vptr指向b的虚表，虚表第一项的指针指向自己函数定义的地址处如果p指向c子类，则。。。。这种直到运行时，才能确定函数调用地址的方式，即为：“动态绑定”*/p->fun6();/*同上，由于b类未改写需函数fun6(),所以该处调用，实际调用a::fun6()，编译器做如下处理：p->fun6() 变为 p->vptr[1],由于，fun6为第二声明，此时，offset为1*/p = &var2; p->fun1();//动态绑定，同上, 调用a::fun1() p->fun2();//静态，同上p->fun6();//调用c::fun6() p->fun4();//编译出错，因为fun4()非虚函数，编译器在映射表中找不到a::fun4()名字，//除非强行转换：(（c*）p)->fun4()，}<完>参与讨论本主题 |
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