浅谈为什么只有指针能够完成多态及动态转型的一个误区

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c++多态由一个函数地址数组Vtable和一个指向Vtable的指针vptr实现。

具体来说，类拥有自己的vtable，类的vtable在编译时刻完成。

每个对象有自己的vptr指针，该指针初始化时指向对象所实现的类的vtable。

关于向上转型的误区：

　　通常对于向上转型的理解是这样的，当子类对象向上转型（允许隐式）成父类对象时，实际上只是将子类对象暂时看做父类对象，内部的数据并未改变。

　　对于没有虚函数的对象，这句话是正确的，但是，当引入虚函数后，这样的理解是有问题的，实际上，向上转型的过程中，vptr指针的指向随着转型改变，这一过程是upcast机制定义好的，也就是说，在任何时刻需要将子类看成父类时，vptr就动态的改变指向，Vprt指针总是指向对象的动态类型。

推广之，任何的类型转化都导致vptr指向的改变，指向所转型的类的vtable，如果对应类没有vtable，则动态删除vptr。

下面解释为什么只有指针和引用才具有多态性，测试如下：

#include <iostream>
using namespace std;

class A{
    virtual void func(){
        cout<<"A‘s func is called"<<endl;
    }
};

class B:public A{
    virtual void func(){
        cout<<"B‘s func is called"<<endl;
    }
};

int main(){
    A a;
    B b;
    cout<<"Vtable address of A is"<<*(void**)&a<<endl;
    cout<<"Vtable address of B is"<<*(void**)&b<<endl;
    A tmp=b;
    cout<<"after upcast and copy:  "<<*(void**)&tmp<<endl;
    A* p=&b;
    cout<<"after upcast and reference:  "<<*(void**)&(*p)<<endl;
}

测试结果如下：

Vtable address of A is0x1000020e0

Vtable address of B is0x100002110

after upcast and copy:  0x1000020e0

after upcast and reference:  0x100002110

可见，确实只有指针才实现了多态。

原因如下：

A tmp=b;

当向父类引用拷贝一个子类对象时，这时实际发生的是，子类对象先向上转型成父类对象，然后在进行赋值运算，由于未定义=的运算符重载，所以发生的一定是bitwise copy，因此，tmp和b的vptr指向不一致，一定是b在发生隐式的向上转型时发生了改变。

A* p=&b;

同样，该过程包含一个向上转型和一个拷贝赋值，不同的是，向上转型和拷贝都是地址，首先，b的地址（B*）向上转型成(A*)类，然后将该地址的副本交给p，与值拷贝不同的是，A*和B*根本就没有vptr，也就不存在vptr指向改变的问题了。

通过这种方式，我们使用一个父类的引用，但vptr并未改变，依旧指向了对象的动态类型，多态也得以实现。

ps，在函数传参过程中的多态也是一样的。

对于这样一个函数

void fun(A a);　　将B b传入时，首先发生了b的向上转型，然后发生了值拷贝，vptr发生了改变，多态失败。

void fun(A* a)　　将B* b传入时，发生b的向上转型和拷贝，但是地址变量的转型和拷贝不改变vptr的指向，vptr指向得以保留，多态成功。

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浅谈为什么只有指针能够完成多态及动态转型的一个误区

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