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Nicrosoft
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再谈多态——向上映射及VMT／DMT
作者：Nicrosoft(nicrosoft@sunistudio.com) 2001.10.9
个人主页：http://www.sunistudio.com/nicrosoft/
东日文档：http://www.sunistudio.com/asp/sunidoc.asp
在《浅谈多态——概念描述》一文中，提到多态的本质就是“将子类类型的指针赋值给父类类型的指
针”。那么，为什麽这种赋值是允许的，或者说是安全的呢？反过来行不行？虚函数的动态绑定是如何实
现的呢？这些问题都将在本文得到解答。
假设有如下代码（Object Pascal语言描述）：
T1 = class
private
member1 : integer;
public
function func1 : Integer;
virtual;
function func2 : Integer;
virtual;
function func3 : Integer;
virtual;
end;
T2 = class(T1)
private
member2 : integer;
public
function func1 : Integer;
override;
function func2 : Integer;
override;
end;
最终结果是，T1类的实例的内存分布图如下（仅说明原理，并不表示编译器一定也是如此实现）：
___________________ ________________
| vptr |-------> | T1.func1 |
| member1 | | T1.func2 |
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ | T1.func3 |
~~~~~~~~~~~~~~~~
其中，vptr是编译器自动加入的一个成员指针（称为虚指针）。只有存在虚函数或动态函数或纯虚函
数的类才会被编译器加入这个成员指针，该指针指向一个称为“虚函数表”（Object Pascal中成为“虚
方法表”——VMT）的内存区域。虚函数表中，保存了每一个虚函数的入口地址。
T2类的实例的内存分布图如下：
___________________ ________________
| vptr |-------> | T2.func1 |
| member1 | | T2.func2 |
| member2 | | T1.func3 |
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~
从图中我们可以知道，子类对象所占的空间大于父类对象所占空间。因此，当发生将子类类型的指针
赋值给父类类型的指针的赋值时（即所谓的“向上映射”），也就是父类类型的指针指向了子类类型的对
象所占的内存空间，那么，很显然，可以保证父类类型指针的可访问范围都是有效，所以这种“向上映
射”是绝对安全的（所谓“向上”是指类层次的上下关系，父类在上，子类在下）。这种赋值是得到编译
器认可的。
也可以很容易得出结论，“向下映射”则未必安全（除非程序员真正知道指针所指对象的实际类
型）。因此，这种赋值是不被编译器允许的，当然，程序员可以通过类似 T1(Obj) 的形式进行强制类型
转换，但这种强制类型转换很不安全（可以发生在任何类和类之间），Object Pascal推荐使用 as 算符
进行类型之间的转换，如： (Obj as T1)，使用 as 算符，编译器会检查对象类型和目标类型是否相容。
如果相容，转换被允许，否则编译出错。
接着，我们看看虚函数的动态绑定是如何实现的。先看如下代码：
procedure Test;
var O : T1;
begin
O := T2.Create;
O.func1;
O.func3;
O.Free;
end;
看着上面的内存布局图，当执行 O := T2.Create;
后，一个 T1 类型的指针指向 T2 实体。执行
O.func1 时，编译器通过 vptr 找到虚函数表，在虚函数表中定位到了 T2.func1（由于 T1.func1 被
“覆盖”了，因此虚函数表中找不到 T1.func1），于是，T2.func1 被调用，这就是动态绑定！但由于
T2 没有重写 func3，因此 O.func3 将调用 T1.func3，这一点在虚函数表中也可以很明显看出来。
好了，说到这里，我想动态绑定已经说的非常清楚了，说明一点，本文虽然以 Object Pascal代码为
例，但其原理对于 C++也同样有效。C++与Object Pascal（甚至不同C++编译器之间）的区别仅在于类成
员及vptr在内存中分布的位置而已。
那么，最后再谈一下 Object Pascal 独有的 DMT（动态方法表）吧。在VMT中，我们看到，子类的虚
函数表完全继承了父类的虚函数表，只是将被覆盖了的虚函数的地址改变了。每个子类都有一份自己的虚
函数表，可以想象，随着类层次的扩展，如果类层次非常深，或者子类的数量非常多的话，虚函数表将称
为占用内存量非常大的东西（即所谓的“类爆炸”）。为了防止这种情况， Object Pascal 引入了
DMT。对于程序员来说，区别仅在于使用“dynamic”关键字代替“virtual”关键字，所实现的功能也完
全一样。
如果把本文开头的那段代码重写如下（用 dynamic 代替 virtual）：
T1 = class
private
member1 : integer;
public
function func1 : Integer;
dynamic;
function func2 : Integer;
dynamic;
function func3 : Integer;
dynamic;
end;
T2 = class(T1)
private
member2 : integer;
public
function func1 : Integer;
override;
function func2 : Integer;
override;
end;
那么，T1 的内存分布图没有改变，而 T2 实例的就不一样了：
___________________ ________________
| dptr |-------> | T2.func1 |
| member1 | | T2.func2 |
| member2 | ~~~~~~~~~~~~~~~~
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
可以看到，在 T2 的动态方法表中，没有被覆盖的 T1.func3 消失了。因此：
procedure Test;
var O : T1;
begin
O := T2.Create;
O.func3;
O.Free;
end;
O.func3 这一句代码将被编译器做更多的处理：找到 T1 类的 func3 函数的入口地址，然后再调
用。
比较一下 VMT 和 DMT 的区别：
VMT 中的虚函数非常齐全，因此对每个虚函数的入口地址只需要简单的 [vptr + n] 的运算即可得
到，但是 VMT 容易消耗内存（有冗余）。而 DMT 比较节省空间，但要定位到没有被覆盖的函数的入口地
址时，将非常耗费时间。
一般情况下，几乎每个子类都要覆盖的函数／方法，就将它声明为 virtual；如果类层次很深，或子
类很多，但某个函数／方法只被很少的子类覆盖，就将它声明为 dynamic。当然，具体就需要自己把握来
选择了。
作者：Nicrosoft(nicrosoft@sunistudio.com) 2001.10.9
个人主页：http://www.sunistudio.com/nicrosoft/
东日文档：http://www.sunistudio.com/asp/sunidoc.asp
在《浅谈多态——概念描述》一文中，提到多态的本质就是“将子类类型的指针赋值给父类类型的指
针”。那么，为什麽这种赋值是允许的，或者说是安全的呢？反过来行不行？虚函数的动态绑定是如何实
现的呢？这些问题都将在本文得到解答。
假设有如下代码（Object Pascal语言描述）：
T1 = class
private
member1 : integer;
public
function func1 : Integer;
virtual;
function func2 : Integer;
virtual;
function func3 : Integer;
virtual;
end;
T2 = class(T1)
private
member2 : integer;
public
function func1 : Integer;
override;
function func2 : Integer;
override;
end;
最终结果是，T1类的实例的内存分布图如下（仅说明原理，并不表示编译器一定也是如此实现）：
___________________ ________________
| vptr |-------> | T1.func1 |
| member1 | | T1.func2 |
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ | T1.func3 |
~~~~~~~~~~~~~~~~
其中，vptr是编译器自动加入的一个成员指针（称为虚指针）。只有存在虚函数或动态函数或纯虚函
数的类才会被编译器加入这个成员指针，该指针指向一个称为“虚函数表”（Object Pascal中成为“虚
方法表”——VMT）的内存区域。虚函数表中，保存了每一个虚函数的入口地址。
T2类的实例的内存分布图如下：
___________________ ________________
| vptr |-------> | T2.func1 |
| member1 | | T2.func2 |
| member2 | | T1.func3 |
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~
从图中我们可以知道，子类对象所占的空间大于父类对象所占空间。因此，当发生将子类类型的指针
赋值给父类类型的指针的赋值时（即所谓的“向上映射”），也就是父类类型的指针指向了子类类型的对
象所占的内存空间，那么，很显然，可以保证父类类型指针的可访问范围都是有效，所以这种“向上映
射”是绝对安全的（所谓“向上”是指类层次的上下关系，父类在上，子类在下）。这种赋值是得到编译
器认可的。
也可以很容易得出结论，“向下映射”则未必安全（除非程序员真正知道指针所指对象的实际类
型）。因此，这种赋值是不被编译器允许的，当然，程序员可以通过类似 T1(Obj) 的形式进行强制类型
转换，但这种强制类型转换很不安全（可以发生在任何类和类之间），Object Pascal推荐使用 as 算符
进行类型之间的转换，如： (Obj as T1)，使用 as 算符，编译器会检查对象类型和目标类型是否相容。
如果相容，转换被允许，否则编译出错。
接着，我们看看虚函数的动态绑定是如何实现的。先看如下代码：
procedure Test;
var O : T1;
begin
O := T2.Create;
O.func1;
O.func3;
O.Free;
end;
看着上面的内存布局图，当执行 O := T2.Create;
后，一个 T1 类型的指针指向 T2 实体。执行
O.func1 时，编译器通过 vptr 找到虚函数表，在虚函数表中定位到了 T2.func1（由于 T1.func1 被
“覆盖”了，因此虚函数表中找不到 T1.func1），于是，T2.func1 被调用，这就是动态绑定！但由于
T2 没有重写 func3，因此 O.func3 将调用 T1.func3，这一点在虚函数表中也可以很明显看出来。
好了，说到这里，我想动态绑定已经说的非常清楚了，说明一点，本文虽然以 Object Pascal代码为
例，但其原理对于 C++也同样有效。C++与Object Pascal（甚至不同C++编译器之间）的区别仅在于类成
员及vptr在内存中分布的位置而已。
那么，最后再谈一下 Object Pascal 独有的 DMT（动态方法表）吧。在VMT中，我们看到，子类的虚
函数表完全继承了父类的虚函数表，只是将被覆盖了的虚函数的地址改变了。每个子类都有一份自己的虚
函数表，可以想象，随着类层次的扩展，如果类层次非常深，或者子类的数量非常多的话，虚函数表将称
为占用内存量非常大的东西（即所谓的“类爆炸”）。为了防止这种情况， Object Pascal 引入了
DMT。对于程序员来说，区别仅在于使用“dynamic”关键字代替“virtual”关键字，所实现的功能也完
全一样。
如果把本文开头的那段代码重写如下（用 dynamic 代替 virtual）：
T1 = class
private
member1 : integer;
public
function func1 : Integer;
dynamic;
function func2 : Integer;
dynamic;
function func3 : Integer;
dynamic;
end;
T2 = class(T1)
private
member2 : integer;
public
function func1 : Integer;
override;
function func2 : Integer;
override;
end;
那么，T1 的内存分布图没有改变，而 T2 实例的就不一样了：
___________________ ________________
| dptr |-------> | T2.func1 |
| member1 | | T2.func2 |
| member2 | ~~~~~~~~~~~~~~~~
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
可以看到，在 T2 的动态方法表中，没有被覆盖的 T1.func3 消失了。因此：
procedure Test;
var O : T1;
begin
O := T2.Create;
O.func3;
O.Free;
end;
O.func3 这一句代码将被编译器做更多的处理：找到 T1 类的 func3 函数的入口地址，然后再调
用。
比较一下 VMT 和 DMT 的区别：
VMT 中的虚函数非常齐全，因此对每个虚函数的入口地址只需要简单的 [vptr + n] 的运算即可得
到，但是 VMT 容易消耗内存（有冗余）。而 DMT 比较节省空间，但要定位到没有被覆盖的函数的入口地
址时，将非常耗费时间。
一般情况下，几乎每个子类都要覆盖的函数／方法，就将它声明为 virtual；如果类层次很深，或子
类很多，但某个函数／方法只被很少的子类覆盖，就将它声明为 dynamic。当然，具体就需要自己把握来
选择了。