一、多態(tài)

C++多態(tài)通過繼承和動態(tài)綁定實現(xiàn)。繼承是一種代碼或者功能的傳承共享，從語言的角度它是外在的、形式上的，極易理解。而動態(tài)綁定則是從語言的底層實現(xiàn)保證了多態(tài)的發(fā)生——在運行期根據(jù)基類指針或者引用指向的真實對象類型確定調(diào)用的虛函數(shù)功能！通過帶有虛函數(shù)的單一繼承我們可以清楚的理解繼承的概念、對象模型的分布機制以及動態(tài)綁定的發(fā)生，即可以完全徹底地理解多態(tài)的思想。為了支持多態(tài)，語言實現(xiàn)必須在時間和空間上付出額外的代價（畢竟沒有免費的晚餐，更何況編譯器是毫無感情）：

1、類實現(xiàn)時增加了virtual table，用來存放虛函數(shù)地址；
2、類對象中增加了指向虛函數(shù)表的指針vptr，以提供runtime的鏈接；
3、在類繼承層次的構(gòu)造函數(shù)中重復(fù)設(shè)定vptr的初值，以期待指針指向?qū)?yīng)類的virtual table；
4、在類繼承層次的析構(gòu)函數(shù)中重復(fù)還原vptr的初值；
5、多態(tài)發(fā)生時（base class指針調(diào)用虛函數(shù)）需要通過vptr和virtual table表調(diào)用對應(yīng)函數(shù)實體，增加了 一層間接性。
第1、2兩點是多態(tài)帶來的空間代價，后面三點則是時間效率上的代價。

二、多重繼承和虛擬繼承

多重繼承具有多個base class，有別于單一繼承（提供了一種“自然多態(tài)”形式）。單一繼承中，基類和派生類具有相同的內(nèi)存地址，它們之間的轉(zhuǎn)換十分自然不需要編譯器的介入。但如果基類中沒有虛函數(shù)而派生類中有，單一繼承的自然多態(tài)被打破。這種情況下，派生類轉(zhuǎn)換為基類需要編譯器的介入，用以調(diào)整this指針地址。多重繼承的對象模型較單一繼承復(fù)雜，根源在于derived class objects和其第二或后繼的base class objects之間的“非自然”關(guān)系 ，這一點可以從下面的對象模型中看到。派生類和基類之間的非自然多態(tài)引起了一個嚴(yán)重的問題（在虛擬繼承中也存在）：derived class和第二或后繼base class之間的轉(zhuǎn)換（不論是對象間的直接轉(zhuǎn)換或者經(jīng)由其所支持的virtual function機制做轉(zhuǎn)換）需要調(diào)整this指針的地址，以使其指向完整正確的class object 。
虛擬繼承是一種機制，類通過虛繼承指出它所希望共享虛基類的狀態(tài)，虛基類在派生層次中只有一份實體。相比多重繼承，虛擬繼承的難點在于既要識別出相同的對象部分又要維持基類和派生類之間的多態(tài)關(guān)系 。通常情況下，實現(xiàn)虛擬繼承時編譯器將對象分割為一個不變局部和一個共享局部 。不變局部中的數(shù)據(jù)，不管后繼如何衍化，總是擁有固定的offset，所以這一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以被直接存取。至于共享局部，所表現(xiàn)的就是virtual base class subobject。這一部分的數(shù)據(jù)，其位置會因為每次的派生操作而有變化，所以它們只能被間接存取 。各家編譯器實現(xiàn)技術(shù)之間的差異在于間接存取方法不同。一般的策略就是先安排好派生類的不變部分，然后建立共享部分。虛擬繼承base class和derived class之間非自然的多態(tài)關(guān)系，它們之間相互轉(zhuǎn)換時需要對this指針地址進行調(diào)整。由于對virtual base class的支持，虛擬繼承帶來了額外的負擔(dān)和模型復(fù)雜性。

三、多重繼承和虛擬繼承對象模型

造成多重繼承和虛擬繼承較普通單一繼承復(fù)雜、效率低的本質(zhì)在于 對象模型內(nèi)存分布的差異， 這一點從第二部分分析也可以看到。下面示例對比列出了普通單一繼承、多重繼承以及虛擬繼承的對象模型。需要說明的是：C++標(biāo)準(zhǔn)中并沒有強制規(guī)定base class members和derived class members之間的次序關(guān)系，理論上可以自由安排之，但實際上大多數(shù)編譯器都會基類成員放在前面，但虛擬繼承除外。下面也是這種策略，同時把vptr作為類的第一個成員。

基類Base1、Base2以及派生類DerivedSingle、DerivedMulti類定義如下：

class Base1
{
public:
  Base1(void);
  ~Base1(void);
  virtual Base1* clone()const;
protected:
  float data_Base1;
};

class Base2
{
public:
  Base2(void);
  ~Base2(void);
  virtual void mumble();
  virtual Base2* clone()const;
protected:
  float data_Base2;
};

class DerivedSingle: public Base1
{
public:
  DerivedSingle(void);
  virtual ~DerivedSingle(void);
  virtual DerivedSingle* clone() const;
protectd:
  float data_DerivedSingle;
};

class DerivedMulti :public Base1, public Base2
{
public:
  DerivedMulti(void);
  virtual ~DerivedMulti(void);
  virtual DerivedMulti* clone() const;
protected:
  float data_DerivedMulti;
};

對象模型如下，虛擬繼承和單一繼承類結(jié)構(gòu)相同，只是繼承改成了虛擬繼承。

單一繼承：

多重繼承：

虛擬繼承：

為了保證memberwise復(fù)制的正確性（否則基類子對象復(fù)制給派生類時會發(fā)生錯誤），C++中保證“基類子對象在派生類中的原樣性 ”。

單一繼承的對象模型呈現(xiàn)了一種“自然多態(tài)”的形式，基類和派生類之間的轉(zhuǎn)換十分自然簡單。然而多重繼承有多個基類，對象有多個vptr指針，對于第二個或后繼基類和派生類之間的轉(zhuǎn)換需要地址調(diào)整，以指向完整的基類子對象。

虛擬繼承中，為了記住和共享虛擬基類，需要在類中添加指向該基類的指針。從上面的虛擬繼承對象模型中可以看到，雖然和單一繼承有相同的類層次結(jié)構(gòu)，但虛擬繼承打破了單一繼承的“自然多態(tài)”形式，基類和派生類之間的轉(zhuǎn)換需要調(diào)整this指針的地址。如果是虛擬多重繼承，則虛擬基類/后繼基類和派生類之間的轉(zhuǎn)換需要this指針地址調(diào)整 。

一般規(guī)則，多重繼承經(jīng)由指向“第二個或者后繼base class”的指針（引用）來調(diào)用derived class virtual function，該操作所連帶的“必要的this指針調(diào)整”操作，必須在執(zhí)行期完成，也就是說offset的大小、以及吧offset加到this指針上頭的那一小段程序代碼，必須有編譯器在某個地方插入。為了實現(xiàn)this指針調(diào)整引入thunk技術(shù)，所謂thunk是一小段assembly代碼，用來以適當(dāng)?shù)膐ffset值調(diào)整this指針，并跳到virtual函數(shù)去。Thunk技術(shù)允許virtual table slot繼續(xù)內(nèi)含一個簡單的指針，因此多重繼承不需要額外任何空間上的額外負擔(dān)。Slots中的地址可以直接指向virtual function，也可以指向一個相關(guān)的thunk（如果需要調(diào)整this指針）。調(diào)整this指針的第二個額外負擔(dān)就是，由于兩中不同的可能：（1）經(jīng)由derived class（或者第一個base class）調(diào)用，（2）經(jīng)由第二個（或者后繼）base class調(diào)用，同一個函數(shù)在virtual table中可能需要多筆對應(yīng)的slots。并且在第二個或者后繼base class中的虛函數(shù)表保存的是thunk代碼地址。

四、 效率

通過上面第三部分的分析，多重繼承和虛擬繼承對象模型的較單一繼承復(fù)雜的對象模型 ，造成了成員訪問低效率， 表現(xiàn)在兩個方面：對象構(gòu)建時vptr的多次設(shè)定，以及this指針的調(diào)整。對于多種繼承情況的效率比較如下：

多態(tài)中的data member訪問

    考察多態(tài)中幾種繼承情形的data member成員訪問效率的關(guān)鍵是：members的offset位置在編譯期是否能夠確定。 如果訪問的成員在編譯期就可以確定下offset位置，不會帶來額外的負擔(dān)。

    理論上針對上面的繼承類型，通過類對象訪問，效率完全一樣，因為成員在類中的位置在編譯期是可以確定的。通過引用或者指針訪問，除了一種情形，上面的繼承類型效率也完全相同 。例外情形是：通過指針和引用訪問虛擬基類的數(shù)據(jù)成員。因為虛擬基類在不同的繼承層次中，其offset位置是變化的，并且無法通過指針或者引用類型確定指針指向?qū)ο蟮恼鎸嶎愋?，所以編譯期無法確定offset位置，只能在運行期通過類型信息確定。

    實際上具體繼承（非virtual繼承）并不會增加空間或者存取時間上的額外負擔(dān)，但是虛擬繼承的“間接性”壓抑了“把所有運算都移往緩存器執(zhí)行”的優(yōu)化能力，即使通過類對象訪問編譯器也會像對待指針一樣（目前是，編譯器都沒能識別出對“繼承而來的data member”的存取是通過一個非多態(tài)對象，因而不需要執(zhí)行期的間接存?。?效率令人擔(dān)心。但間接性并不會嚴(yán)重影響非優(yōu)化程序的執(zhí)行效率，各類型繼承效率差別不大。一般來說，virtual base class最有效的運用形式：一個抽象的virtual base class，沒有任何data   members。

多態(tài)中的function member訪問

     在C++中，nonmember/static member/nonstatic member函數(shù)都被轉(zhuǎn)化為完全相同的形式（通過managling命名處理），所以它們的效率完全相同。

     如果是通過引用和指針調(diào)用虛函數(shù)，效率將會降低，這是由C++多態(tài)性質(zhì)決定的。而多重繼承和虛擬繼承中虛函數(shù)的調(diào)用比單一繼承的效率更低。這個從上面表格可以清楚的看出來：this指針調(diào)（比如通過thunk技術(shù)調(diào)整）和多次初始化vptr。當(dāng)然，請記?。和ㄟ^對象訪問虛函數(shù)和訪問非虛成員函數(shù)效率是一樣的。在調(diào)用虛函數(shù)而又不需要多態(tài)的情況下，可以明確地調(diào)用該函數(shù)實體：類名::函數(shù)名，壓制由于虛擬機制而產(chǎn)生的不必要的重復(fù)調(diào)用操作。

this指針地址調(diào)整
       多重繼承和虛擬繼承中this指針調(diào)整使得這兩種繼承效率降低，實際編程時應(yīng)該有所警惕。下面列出常見的需要調(diào)整this指針的情形：

      1、new 派生類給第二（后繼）個基類指針或通過第二（后繼）base class調(diào)用派生類虛析構(gòu)函數(shù)

      必須調(diào)整Derived對象的地址，以使其指向Base2 subobject對象。當(dāng)刪除基類指向的對象時必須再一次調(diào)整，使其指向Derived對象的起始地址，然而這個調(diào)整只能在執(zhí)行期完成，在編譯時無法確定指針指向的對象類類型。

      下次你看到這種情況不要好奇：pBase2不等于pDerived。      

Derived* pDerived = new Derived;
Base2* pBase2 = pDerived; // Base2為Derived的第二個基類
pBase2 != pDerived;    // 兩者不等

 2、通過派生類指針調(diào)用第二或后繼base class擁有的虛函數(shù)

      如果想正確調(diào)用必須在編譯時調(diào)整派生類指針，以指向后繼base subobject調(diào)用正確的虛函數(shù)。由上面的模型圖可以看到：如果通過派生類指針調(diào)用mumble函數(shù)，而mumble函數(shù)只存在于后繼類的虛函數(shù)表中，故必須調(diào)整之。

      3、后繼base class指針調(diào)用返回derived class type的虛函數(shù)并且賦值給另一后繼base class指針時

      示例如下：

Base2* pb1 = new Derived;  // 調(diào)整指針指向base2 clss子對象
Base2* pb2 = pb1->clone(); // pb1被調(diào)整至Derived對象的地址，產(chǎn)生新的對象，再次調(diào)整對象指針指向base2基類子對象，賦值給pb2。

 記?。築ase class指針一定得指向一個完整的與自身類型相同的對象或者子對象地址，不滿足這個條件的情形都需要this指針的調(diào)整。

     詳細知識請參考：《Inside The C++ Object Model》。