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# 31｜面向对象编程第3步：支持继承和多态
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你好，我是宫文学。
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经过前面两节课对面向对象编程的学习，今天这节课，我们终于要来实现到面向对象中几个最核心的功能了。
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面向对象编程是目前使用最广泛的编程范式之一。通常，我们说面向对象编程的核心特性有封装、继承和多态这几个方面。只要实现了这几点，就可以获得面向对象编程的各种优势，比如提高代码的可重用性、可扩展性、提高编程效率，等等。
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这节课，我们就先探讨一下面向对象的这些核心特性是如何实现的，然后我会带着你动手实现一下，破解其中的技术秘密。了解了这些实现机制，能够帮助你深入理解现代计算机语言更深层次的机制。
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首先，我们先来分析面向对象的几个核心特性，并梳理一下实现思路。
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## 面向对象的核心特性及其实现机制
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**第一，是封装特性。**
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封装是指我们可以把对象内部的数据和实现细节隐藏起来，只对外提供一些公共的接口。这样做的好处，是提高了代码的复用性和安全性，因为内部实现细节只有代码的作者才能够修改，并且这种修改不会影响到类的使用者。
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其实封装特性，我们在上两节课已经差不多实现完了。因为我们提供了方法的机制，让方法可以访问对象的内部数据。之后，我们只需要给属性和方法添加访问权限的修饰成分就可以了。比如我们可以声明某些属性和方法是private的，这样，属性和方法就只能由内部的方法去访问了。而对访问权限的检查，我们在语义分析阶段就可以轻松做到。
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上一节课，我们已经分析了如何处理点符号表达式。你在程序里可以分析出点号左边的表达式的类型信息，也可以获得对象的属性和方法。再进一步，我们可以给这些属性和方法添加上访问权限的信息，那么这些私有的属性就只可以在内部访问了，比如使用this.xxx表达式，等等。而公有的属性仍然可以在外部访问，跟现在的实现没有区别。
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**第二，我们看看继承。**
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用直白的话来说，继承指的是一个class，可以免费获得父类中的属性和方法，从而降低了开发工作量，提高了代码的复用度。
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我写了一个示例程序，你可以看一下：
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function println(data:any=""){
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console.log(data);
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}
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class Mammal{
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weight:number = 0;
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// weight2;
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color:string;
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constructor(weight:number, color:string){
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this.weight = weight;
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this.color = color;
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}
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speak(){
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println("Hello, I'm a mammal, and my weight is " + this.weight + ".");
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}
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}
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class Human extends Mammal{ //新的语法要素：extends
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name:string;
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constructor(weight:number, color:string, name:string){
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super(weight,color); //新的语法要素：super
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this.name = name;
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}
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swim(){
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println("My weight is " +this.weight + ", so I swimming to exercise.");
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}
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}
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class Cat extends Mammal{
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constructor(weight:number, color:string){
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super(weight,color);
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}
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catchMouse(){
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println("I caught a mouse! Yammy!");
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}
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}
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function foo(mammal:Mammal){
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mammal.speak();
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}
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let mammal1 : Mammal;
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let mammal2 : Mammal;
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mammal1 = new Cat(1,"white");
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mammal2 = new Human(20, "yellow", "Richard");
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foo(mammal1);
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foo(mammal2);
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```
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在这个示例程序中，Human和Cat都继承了Mammal类。但人类和猫当然有很大的不同，比如人类通常会有一个姓名，具备游泳的能力，而猫则有抓老鼠的能力。
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但因为它们都属于哺乳动物，所以也一定有一些共同的特征，比如都有体重和颜色，也都可以发出声音。这里，使用了继承功能以后，像weight、color和speak()这样的属性和方法，我们就不需要Human和Cat去重复实现了。
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那实现继承特性的关键点是什么呢？你可以基于我们现在的技术实现来分析一下。你会发现，当我们调用cat.color的时候，**最关键的是要对color属性进行定位**。在编译期，我们需要通过引用消解，把color属性定位到声明它的地方，也就是在父类Mammal中。而在运行期，我们需要知道父类的属性的存储位置，这样才可以访问它们。
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具体实现，我们在接下来的讲解中依次展开。现在我们分析一下面向对象的第三个特性，也就是多态。
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**第三，多态特性。**
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多态指的是一个类的不同子类，都实现了某个共同的方法，但具体表现是不同的。多态的好处，是我们可以在一个比较稳定的、抽象的层面上编程，而不被更加具体的、易变的实现细节干扰。
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举例来说，如果我们想要在手机和电脑之间发送信息。那么在抽象的层面上，我们只需要提供sendData和receiveData这样的编程接口。而在具体实现上，这些信息可能是通过Wi-Fi传递的，也可能是通过5G网络或蓝牙传递的。系统可以根据不同的网络环境选择不同的机制，但是我们上层使用sendData和recieveData接口来编写的应用程序，不需要根据传输方式的不同而修改应用逻辑，这样就降低了整体系统的维护成本。
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我们也可以修改一下示例程序来说明多态特性。我们给Human和Cat都增加了一个speak()方法，覆盖掉了父类的缺省实现，分别执行了不同的逻辑。
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```plain
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class Human extends Mammal{ //新的语法要素：extends
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name:string;
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constructor(weight:number, color:string, name:string){
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super(weight,color); //新的语法要素：super
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this.name = name;
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}
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swim(){
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println("My weight is " +this.weight + ", so I swimming to exercise.");
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}
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speak(){
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println("Hello PlayScript!");
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}
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}
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class Cat extends Mammal{
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constructor(weight:number, color:string){
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super(weight,color);
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}
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catchMouse(){
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println("I caught a mouse! Yammy!");
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}
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speak(){
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println("Miao~~");
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}
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}
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```
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你要注意speak()方法后面的几行代码，这里就展现了多态的强大之处。你可以声明多个Mammal类型的变量，给每个变量赋予Mammal的不同子类的对象实例。而在foo函数程序里，我们接受一个Mammal类型的参数，并让它speak()。
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你会看到，无论Mammal的子类将来扩展到多少种，都不会影响到foo函数的逻辑，foo函数只要保持它的抽象性就好了。这种在抽象层面上编程的技术，是实现可重用的编程框架的基础，也通常是一个公司里资深的技术人员的职责。
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那如果要实现多态功能，其实我们不能在编译期做什么事情，这主要是运行期的功能。因为你编译foo函数的时候，只知道传进来的参数是Mammal类型，去调用Mammal的speak()方法就好了。而在运行期，这个speak()方法要正确地定位到具体子类的实现上。这个技术，就做动态绑定（Dynamic Binding），或者后期绑定（Late Binding），这也是面向对象之父阿伦 · 凯伊（Alan Kay）所提倡的面向对象应该具备的核心特征。
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接下来，我们会分别在AST解释器和静态编译的两个版本上，讨论运行期绑定的实现细节。
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在此之前，我们还是要先修改一下编译器的前端，让它能够支持今天我们讲到的特性。
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## 修改编译器前端
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在编译器前端方面，我们仍然需要增强一下语法规则，并进行一些语义分析工作。
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语法方面，主要是**增加类继承的语法**，比如：“class Humman extends Mammal”。我们把原来类声明的语法规则稍加修改就行：
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```plain
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classDecl : Class Identifier ('extends' Identifier)? classTail ;
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```
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另外，在实现了继承以后，我们还需要用到跟this相对应的另一个关键字，super。通过super关键字，我们可以调用父类的方法。特别是，我们需要在子类的构造方法里，通过super()这样的格式，来调用父类的构造方法。
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相对来说，我们在语义分析方面要做的工作会更多一点，主要包括：
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* 在calss的符号信息里，要增加与继承关系有关的信息；
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* 在NamedType类型信息里，也要建立起正确的父子关系，便于进行类型计算；
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* 在子类的构造方法里，第一个语句必须用super()调用父类的构造方法。
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这些工作倒是没有太复杂的实现难度，你参考一下[semantic.ts](https://gitee.com/richard-gong/craft-a-language/blob/master/31/semantic.ts)中的代码。
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接下来，我们仍然增强一下AST解释器，来支持继承和多态特性。
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## 修改AST解释器
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AST解释器方面需要增强的工作包括：
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* 为了实现继承特性，要能够在子类中访问父类的属性和方法；
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* 为了实现多态特性，在调用方法时，要能够正确调用具体的子类的实现。
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**首先我们看如何继承父类的属性。**对于AST解释器这种运行机制来说，属性的继承实现起来比较简单。因为我们是用PlayObject来存放对象数据的，具体存储方式是一个Map。无论是父类还是子类的属性，都保存在这个Map中就可以了。然后我们再以对象属性的Symbol为Key去访问这些数据就行了。
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刚才讲的是属性的继承，那么继承父类的方法也是一样的吗？
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不知道你还记不记得，在上一节课中，我们在PlayObject中包含了该对象所属的类的符号信息。而这个符号里，又引用了它的父类的符号。所以，我们可以借助这些父子关系的信息，逐级向上查找，直到在某一级父类里找到这个方法。
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你有没有看出这里面的关键点？**我们是在运行时才知道，到底要调用那个层级的父类所实现的方法的。这也说明，我们在前端的语义分析阶段，不能把方法的调用跟具体的实现绑死，绑定的动作要留到运行时。**虽然在做引用消解的时候，我们把方法调用指向了某个方法的Symbol，但这个Symbol只是用来在运行时去定位真正要调用的方法。
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这个在运行时绑定的原则，其实也是实现多态特性的背后机制。在上面的示例程序中，虽然foo函数的签名针对的都是Mammal类型，但在运行时具体调用方法的时候，我们传递给方法的都是PlayObject对象，而PlayObject对象中保存的ClassSymbol呢，是具体的子类的符号信息，这当然就会导致调用不同子类的方法，从而也就实现了多态。
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所以说，**方法的继承和多态这两件事，落实到实现上是同一件事，都是根据PlayObject中的符号信息，去查找到真正应该调用的方法就好了**。
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具体实现上，你可以参考[play.ts](https://gitee.com/richard-gong/craft-a-language/blob/master/31/play.ts)的中的示例程序。
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整个实现下来，你会感觉到似乎也不太难呀。对于解释执行的运行时来说，确实如此。但对于编译执行的运行时机制来说，就需要更多的技巧才能实现继承和多态的机制。
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## 在可执行程序中实现继承和多态
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在解释执行的运行机制中，我们在访问对象的属性和方法之前可以做很多工作，能让我们确定属性的地址，或者定位具体的方法。但这个过程会导致不少的额外开销。
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比如，在AST解释器中，去访问一个属性的时候，需要查找一个Map。这样的话，一次赋值过程可能要导致内部多次函数调用。对比我们生成的汇编语言的代码，在访问一个对象数据的时候，只需要用几个指令做内存地址的计算和数据的访问就可以了，性能很高。
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调用方法也是如此。在C++这样的语言中，函数调用不可以有太多的额外开销，因为它毕竟是一门系统级的语言，是用于开发操作系统、数据库这类软件的，所以要求性能尽量高，资源占用尽量少。
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所以，我们就要细致地设计一下对象的内存布局和方法的动态绑定机制，让我们的程序既具备面向对象带来的灵活性，又不会导致额外的开销。
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在这节课的实现中，我们就借鉴一下C++的实现机制。这个实现方式很经典，值得好好掌握。
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首先说一下对象的内存布局。在对象继承的情况下，怎么保存所有的属性数据呢？包括自己这一级的属性和各级父类的属性。
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你可以稍作思考。有了前面我们设计对象内存布局的经验，我相信你一定会拿出正确的技术方案。这个方案就是，不管父类和子类的数据，都集中在一块内存里连续存放。并且，我们要先放父类的数据，再放子类的数据。你可以参考一下这张图：
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那为什么要先放父类的数据，再放子类的数据呢？
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这是因为，这可以让我们在程序中无缝的进行类型的转换。比如，你可以把一个Cat对象的引用赋给一个Mammal变量。因为Cat对象的指针和Mammal的指针是同一个地址。反过来，你在知道一个Mammal变量的具体类型的情况下，也可以把一个Mammal引用强制转换成一个Cat引用，来访问cat特有的属性。在TypeScript的前端，这种类型转换是用as关键字实现的。在运行时，可以从基地址开始，加上一定的偏移量，就可以计算出各级子类的属性的地址。
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好了，如何访问对象属性的机制就搞清楚了。那么如何在运行时找到正确的对象方法呢？这就要提一下著名**vtable机制**了。
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vtable的原理是什么呢？
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我们先回顾一下，对于普通的函数，我们是怎么调用的。这很简单，就是用一个标签标记一下函数的入口，然后从调用者那里就可以直接跳转过来。在编译期，我们就知道对这个函数的调用肯定要跳转到这个标签。而这个标签，最后会变成内存里文本段的确定的代码地址。这就是静态绑定。
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那我们如何把它改成动态绑定呢？我们可以借鉴AST运行时中的机制。在AST的运行时中，我们是在获得了PlayObject对象之后，根据PlayObject对象中的ClassSymbol来绑定具体的方法。
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所以，vtable也是采用了这么一个机制。vtable是一个表格，保存了对象的每个可被覆盖的方法的代码地址。vtable中的每个条目，都对应了一个方法。
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比如一个Human对象的vtable中，条目1对应的是speak()方法，条目2对应的是swim()方法。如果Human没有重载父类的speak()方法，那条目1里存的就是父类的方法地址。那么如果Human重载了这个方法呢？那我们就用新的方法地址覆盖掉它。这样在程序执行的时候，我们通过Mammal对象的指针，再查找vtable来获得speak()方法的地址的时候，不同的子类的speak()方法的地址就是不同的。这样也就实现了方法的继承和多态。
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那具体要生成什么样的汇编代码，来支持我们刚才说到的vtable机制和程序的跳转机制呢？我们可以看看C++是怎么实现的。
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我写了一个C++的示例程序（[class2.cpp](https://gitee.com/richard-gong/craft-a-language/blob/master/31/class2.cpp)），仍然实现了Mammal、Human和Cat这三个类。其中父类有两个方法speak()和run()可以被子类覆盖，也就是带有virtual关键字；它还有一个breath()方法不可以被子类覆盖。在foo函数中，我们分别调用了mammal的speak()方法和breath()方法。
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```plain
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#include "stdio.h"
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class Mammal{
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public:
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double weight;
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//这个方法不可被子类覆盖
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void breath(){
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printf("mammal breath~~\n"); //这里用c语言的库，而不是c++的cout，是为了让生成的汇编代码更简洁
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}
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//这个方法以virtual开头，可以被子类覆盖
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virtual void speak(){
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printf("I'm mammal.\n");
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}
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//第二个virtual方法
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virtual void run(){
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printf("I'm mammal.\n");
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}
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};
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class Cat : public Mammal{
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public:
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double jumpHeight;
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//覆盖了父类的speak方法
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void speak(){
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printf("I can jump %lf m.\n", jumpHeight);
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}
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//子类自己的方法
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void catchMouse(){
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printf("I can catch mouse.\n");
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}
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};
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class Human : public Mammal{
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|
public:
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double age;
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|
//覆盖了父类的speak方法
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void speak(){
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printf("I'm %lf years old.\n", age);
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|
}
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|
};
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void foo(Mammal* mammal){
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mammal->breath();
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mammal->speak();
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}
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int main(){
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Cat * cat = new Cat();
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cat->weight = 10;
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cat->jumpHeight = 5;
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Human * human = new Human();
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human->weight = 80;
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human->age = 18;
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foo(cat);
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foo(human);
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delete cat;
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delete human;
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return 0;
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}
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```
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然后我们用“clang++ class2.cpp -o class2”命令，把这个C++程序编译成可执行文件。然后再运行这个class2程序，就可以得到下面的输出：
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你能看到，对于breath()方法，程序调用的是父类Mammal的实现，这是继承。而对于speak()方法来说，程序调用的是两个子类各自的实现，这是重载。
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接下来，你可以用“clang++ -S class2.cpp -o class2.s”命令生成汇编文件[class2.s](https://gitee.com/richard-gong/craft-a-language/blob/master/31/class2.s)，观察C++语言是怎么实现vtable的。
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这个汇编代码有点长，如果你不熟悉它的结构，可能一下子会有点晕。不过，在你找到了规律，知道了生成汇编代码的思路以后，就会觉得容易接受了。
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在这里，我带你分析一下它里面的主要代码，让你理解C++程序编译后，到底是如何形成vtable的，又是如何实现动态绑定的。
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首先看看main函数所生成的代码。我从里面截取了一段，对应于源代码中的前三行代码。
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从这段代码中你能看出，程序为Cat对象申请了24个字节的内存。其中前8个字节存的就是vtable的指针，后面16个字节分别是weight和jumpHeight。其中weight来自父类，而jumpHeight则是在Cat类中声明的。
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其中的\_\_ZN3CatC1Ev是做Cat的对象初始化工作。你跟踪这个函数的代码，会发现它又调用了\_\_ZN3CatC2Ev。而在\_\_ZN3CatC2Ev中做了两件重要的事情。
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首先，是它调用了一个为父类Mammal做初始化的函数。然后是一条重要的语句“movq \_\_ZTV3Cat@GOTPCREL(%rip), %rax”。它的意思是，把\_\_ZTV3Cat这个标签的地址，相对于代码寄存器中的值的偏移量，存到rax寄存器中去。
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\_\_ZTV3Cat这个标签指向的是一个数据段，里面保存了一些常量，就像我们之前用过的double常量和字符串常量一样。而这里的一些常量，是关于Cat类的一些描述，其中包括类型信息，以及vtable。编译后这些信息进入可执行程序的数据区，并且可以用刚才的的指令访问。
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接下来，后面几条指令，是把\_\_ZTV3Cat的地址值加上16个字节，写到了Cat对象的对象头里，也就是前8个字节。
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那为什么要加上16个字节呢？这就需要我们到\_\_ZTV3Cat这个标签下，看看这个数据段里到底有一些什么数据。你可以看看下面的图。
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你会看到，在这个段中，一共有4个8字节常量。其中第一个常量是0，这个常量我们不用管它。第二个8字节常量，则是另一个标签，指向另一个数据区，里面保存了Cat的一些类型信息，包括类型名称等等。这些信息可被用于RTTI功能，也就是运行时的类型判断功能。
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这里的重点在第三和第四个8字节区域，它们分别保存了两个虚函数的标签。第一个虚函数是speak函数，这个函数指向的是Cat所实现的speak函数，而不是父类的函数。而第二个虚函数，则是指向Mammal的实现，因为Cat并没有覆盖父类中的实现。这最后的16个字节，就是Cat类的vtable。
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那么，程序里具体是如何使用vtable来调用函数的呢？你可以再接着看看foo函数的实现。
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函数调用了3个函数。在调用breath()方法的时候，是直接使用了breath()方法的标签，并没有经过vable。这是由C++的语言特性决定的。如果一个方法前面没有用virtual来修饰，那它就不可以被子类覆盖，因此自然也就不需要vtable了。
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而在调用speak()方法的时候，代码里使用了“callq _(%rcx)”。这条指令的意思是，%rcx寄存器里保存了一个内存地址。这个内存地址里保存了要执行的代码的地址，然后去执行这个代码。实际上，%rcx寄存器就是刚才的数据区的起始地址加上16字节后的值，这个值正是vtable的地址。而_(%rcx)，实际上就是vtable中记录的第一个虚函数的地址。如果你要调用第二个虚函数，那么需要使用callq \*8(%rcx)指令，基于vtable开头的位置偏移8个字节。
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好了，到这里，我们就把C++实现继承和多态，以及vtable的技术细节都分析清楚了。那么，我们在后端同样也可以做一个这样的参考实现。我们实现起来可以比C++的机制更加简化。这是因为，首先，我们目前还不需要运行时类型机制，可以简化掉这部分。第二，我们把所有父类的方法都放在vtable中，因为目前所有父类的方法都是公共的，都是允许被覆盖的。
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我提供的参考实现，仍然在[asm\_x86-64.ts](https://gitee.com/richard-gong/craft-a-language/blob/master/31/asm_x86-64.ts)中。
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## 课程小结
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今天的内容就是这些。关于面向对象的核心特性，我希望你记住以下几个知识点：
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首先，继承和多态的核心点，都是来自动态绑定技术。也就是说，在编译期并不知道实际调用的是哪一级的方法，只有在运行期根据对象的具体类型才知道。
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第二，在AST解释器中，我们借助PlayObject中存储的ClassSymbol信息，就能动态地找到方法的正确实现。
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第三，在编译成可执行文件时，我们要借助vtable技术来实现继承和多态特性。vtable是在编译时就生成了的，保存在一个数据区。在创建对象的时候，我们就把数据区中vtable的地址写入到对象头中。最后，我们只用一条类似于callq \*8(%rcx)指令，就能查找出vtable中记录的函数地址，从而跳转过去执行。
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今天这节课的内容是非常有用的。如果你使用过C++技术，那么今天我带你剖析了C++的汇编代码后，你会对C++的实现机制理解得更加深入。如果你没有使用过C++，那你也一定要记住vtable这种技术，因为它是静态编译的语言实现面向对象特性的关键。
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我们用了三节课的时间，实现了面向对象最核心的一些特性。在此基础上，我们可以扩展到支持更多的特性，比如TypeScript是支持接口的，我们可以把接口特性添加上。再比如，我们还可以把Norminal的类型系统改成Structural的，让类型之间的兼容更灵活，并且还可以看看这个时候用vtable来实现多态还行不行。
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## 思考题
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我们今天讨论了用vtable在静态编译中实现多态。那么你能不能挑战一下，看能不能提供另外的方案来实现多态？你可以天马行空地想一想，并在留言区分享你的观点。
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并且，如果我们的类型系统改成Structural的，那么我们需要如何修改现在的vtable机制，才能准确地在运行时绑定正确的方法呢？对于这个问题，你也可以谈谈想法。
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欢迎你把这节课分享给更多感兴趣的朋友。我是宫文学，我们下节课见！
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## 资源链接
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[这节课的代码目录在这里！](https://gitee.com/richard-gong/craft-a-language/tree/master/31)
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