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靜態(tài)聯(lián)編和動(dòng)態(tài)聯(lián)編

當(dāng)我們使用程序調(diào)用函數(shù)的時(shí)候，究竟應(yīng)該執(zhí)行哪一個(gè)代碼塊呢?將源代碼中的函數(shù)調(diào)用解釋為執(zhí)行特定的函數(shù)代碼塊這個(gè)過(guò)程被稱為函數(shù)名聯(lián)編(binding)。

在C語(yǔ)言當(dāng)中，這非常簡(jiǎn)單，因?yàn)槊總€(gè)函數(shù)名都對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的函數(shù)。而在C++當(dāng)中，由于支持了函數(shù)重載，使得這個(gè)任務(wù)變得更加復(fù)雜。編譯器必須要查看函數(shù)的參數(shù)以及函數(shù)名才能確定。好在函數(shù)的選擇以及參數(shù)在編譯的時(shí)候都是確定的，所以這部分聯(lián)編在編譯時(shí)就能完成，這種聯(lián)編被稱為靜態(tài)聯(lián)編。

在有了虛函數(shù)之后， 這個(gè)工作變得更加復(fù)雜。因?yàn)槭褂媚囊粋€(gè)函數(shù)不能在編譯時(shí)確定了，因?yàn)榫幾g器不知道用戶將選擇哪個(gè)類型的對(duì)象。所以，編譯器必須能在程序運(yùn)行的時(shí)候選擇正確的虛函數(shù)，這被稱為動(dòng)態(tài)聯(lián)編。

指針和引用類型的兼容性

在C++當(dāng)中，動(dòng)態(tài)聯(lián)編與指針和引用調(diào)用方法相關(guān)，這是由繼承控制的。前文當(dāng)中說(shuō)過(guò)，公有繼承建立的is-a關(guān)系，使得我們可以用父類指針或引用指向子類的對(duì)象。而在C++當(dāng)中，是不允許將一種類型的地址賦值給另外一種類型的指針的。

下面兩種操作都是非法的。

double x = 2.5; 
int *pi = &x; // 非法 
long &r = x; // 非法 

將派生類引用或指針轉(zhuǎn)換成基類的引用和指針?lè)Q為向上強(qiáng)制轉(zhuǎn)換(upcasting)，這種規(guī)則是is-a關(guān)系的一部分。因?yàn)榕缮惱^承了基類當(dāng)中所有的數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)，因此基類成員能夠進(jìn)行的操作都適用于子類成員，所以向上強(qiáng)制轉(zhuǎn)換是可傳遞的。

如果反過(guò)來(lái)呢?將父類對(duì)象傳遞給子類指針呢?這種操作被稱為向下強(qiáng)制轉(zhuǎn)換(downcasting)，在不使用強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的前提下是不允許的。因?yàn)閕s-a關(guān)系通常是不可逆的，派生類當(dāng)中往往新增了一些數(shù)據(jù)成員或方法，不能保證在父類對(duì)象上一樣還能兼容。

虛函數(shù)的工作原理

我們?cè)谑褂锰摵瘮?shù)的時(shí)候其實(shí)可以不需要知道當(dāng)中的實(shí)現(xiàn)原理，但是了解了工作原理能夠幫助我們更好地理解理念。另外在C++相關(guān)的開(kāi)發(fā)面試當(dāng)中經(jīng)常會(huì)問(wèn)起類似的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

通常，編譯器處理虛函數(shù)的方法是：給每一個(gè)對(duì)象添加一個(gè)隱藏成員，這個(gè)成員當(dāng)中保存了一個(gè)指向函數(shù)地址數(shù)組的指針，這種數(shù)組稱為虛函數(shù)表。

這個(gè)虛函數(shù)表中存儲(chǔ)了當(dāng)前這個(gè)類對(duì)象的聲明的虛函數(shù)的地址，我們來(lái)看一個(gè)例子：

class Human { 
    private: 
    ... 
     char name[40]; 
    public: 
     virtual void show_name(); 
     virtual void show_all(); 
     ... 
}; 
 
class Hero : public Human{ 
    private: 
     ... 
        char power[20]; 
    public: 
     void show_all(); 
        virtual void show_power(); 
     ... 
}; 

對(duì)于Human類型的對(duì)象，它當(dāng)中除了類中聲明的內(nèi)容之外，還會(huì)額外多一個(gè)指針，指向一個(gè)列表，比如是[1024,1222]。

這里的1024和1222分別是show_name和show_all兩個(gè)函數(shù)代碼塊的地址。

同樣Hero子類當(dāng)中也會(huì)有這樣一個(gè)指針指向一個(gè)虛函數(shù)的列表，由于我們?cè)贖ero子類當(dāng)中沒(méi)有重載show_name方法，所以Hero類型的對(duì)象中的列表中的第一個(gè)元素仍然是1024。由于我們重載了show_all方法，以及我們新增了一個(gè)show_power的虛函數(shù)，因此它的虛函數(shù)列表可能是[1024,2333,3777]。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們調(diào)用虛函數(shù)的時(shí)候， 編譯器會(huì)先通過(guò)每個(gè)對(duì)象中的虛函數(shù)列表指針拿到虛函數(shù)列表。然后在找到對(duì)應(yīng)位置的虛函數(shù)代碼塊的地址，最后進(jìn)行執(zhí)行。

顯然這個(gè)過(guò)程涉及到維護(hù)虛函數(shù)地址表，以及函數(shù)執(zhí)行時(shí)有額外的查表操作，既帶來(lái)了存儲(chǔ)空間的消耗，也帶來(lái)了性能的消耗。