四年前，写过一篇 关于C#中的抽象类、抽象方法和虚方法的探究 的小片段，当然，对于面向对象学习的初学者来讲，了解这些规则其实也挺ok的。对于一些工作了几年的程序员来说，如果没有深入挖掘面向对象多态的内部实现，对此类问题也是记一些简单的规则，但是如果多层 继承柔和在一起的话，对于运行时真正调用哪个子类方法的时候，甚至会理解彻底模糊。本人工作也有好几年了，后重新巩固面向对象的特性，感觉有必要整理下多态内部的相关细节，也查询了相关的资料，做一下整理。
我们一步步展开，当然，每一步都是相当需要细品的
（1）多态的实现效果
多态：同样的调用语句有多种不同的表现形态；
（2）多态实现的三个条件
有继承、有virtual重写、有父类指针（引用）指向子类对象。
当 Parent p1 = new Son(); 父类引用子类对象时
当我们调用 时，调试就会发现 走的是 Son的Show()的方法，而不是Parent的方法，那么这个是怎么实现的，这是第一个问题。
当Son下的Show方法由变为了new 后，再执行发现运行又变成了调Parent的Show()方法了。这又该怎么理解，这是第二个问题。
综合来讲，你会发现父类引用子类对象，不一定就会走到子类方法，结合多态的条件，你会发现，其实第二种算不上多态，因为他没有重写父类的方法，导致运行时直接调的父类自己的方法。当然这样说也有那么点局部性，因为单单是针对这个例子来说的，如果我们中间再插入一层InValidLayer类，如下图，这个重写了父类，Parent p1 = new Son(); 调 p1.Show();这时候就 会输出 叽叽了，三个条件 在下面都能发现痕迹。现在你会发现父类引用子类对象，不一定走到最下面这个子类，甚至会选择走中间的子类的方法中 这都得具体看代码，具体的规律，我相信对多态特征有了解的，或者看完 之前写的那片文章 应该都能理解到。
现在重点说下多态的内部实现
（3）多态的实现
先说下虚方法， 我们类可以通过 virtual关键字 定义一个虚方法，然后子类可以 override这个虚方法， 对于virtual 是一个虚方法，对于override其实本身也算是一个虚方法，因为派生类还可以继续在override。而接口 ，就是 interface修饰的，编译完后就是一个抽象类，接口定义的方法，编译完后也是一个virtual修饰的 虚方法(这个在最后部分会展示)。所以多态实现的方式 大致分为了两类，一类是基类继承的方式，一类是接口实现的方式。
你应该要思考的一个问题是
对于
Son s1=new Son();
Person p2=new Son();
这两者调用，对于编译器或者内存分布上会有什么样的区分，为什么p2.如果调Son类下独有的方法就调不到这些问题。
这一切的一切的谜团需要挖掘到内存分布的去一步步揭开，先谈谈IL层面的
①IL相关的
我们知道在.NET中一共有三种方法：实例方法，静态方法和虚方法。当程序被编译成IL代码时，我们可以看到有两个调用方法的IL指令，分别是call和callvirt
从IL代码我们看到了，call指令只用来调用了静态方法，而callvirt指令调用了虚方法和实例方法。
msdn上摘了一段关于 callvir的相关的，具体可以看下 https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.reflection.emit.opcodes.callvirt?redirectedfrom=MSDN&view=netcore-3.1
简单说 callvir相比于call来说，调哪个不够确定，需要运行的时候在动态去找，所以IL层面暂时看不出什么端倪。
之前在查阅资料发现 关于 c1.ToString() 编译成IL代码 用的是 call,但是目前经过测试发现 是 用的callvirt ，倒是base.ToString()是用的call,
我们可以看到call和callvirt各有个的作用，call不需要知道变量的实际对象类型,直接使用变量类型来调用方法，所以用它来调用实例方法是没有问题的。而callvirt需要检查变量所指对象的实际类型，根据实际类型来调用方法，而不是根据变量类型，这正好适合多态，实现了通过父类变量来调用子类方法
前面我们讨论的是引用类型，当对于值类型的方法，C#总是使用call指令调用的，因为值类型是密封的，不存在多态。对于未装箱的值类型总是分配在栈上的，所以只需知道变量类型，使用call指令加快处理速度，也就永远不会抛出null的异常。如果是用callvirt调用值类型的虚方法会导致装箱,造成性能损失。virtual会告诉编译器这个函数要支持多态；不要根据指针类型判断如何调用；而是要根据指针所指向的实际对象类型来判断如何调用。这一切就要看运行的时候了，在这之前，我们有必要看下内存分布相关的，因为他和运行有着密切的相关性
②内存相关的
关于对象在堆栈和堆上的分配，应该有大量的资料，我们知道对象的变量（比如：c1,c2 ,c3,c4）是保存在线程堆上的，而引用对象是保存在堆上的（new出来的各个对象）。每个堆上的对象都有额外的两个字段，分别是同步索引块和类型对象指针（应该众所周知）。对于这种结构的，分布大致是下面这样的，大家应该比较的熟悉
关于类型对象，我们关注的可能稍微少些，毕竟它的结构有些复杂。首先 需要知道的是，在运行程序时,CLR系统会加载3个域，其中最重要的就是我们的默认程序域。在加载程序域时，CLR会根据程序集中的元数据来构建各个自定义类型的对象，比如我们定义了一个CPU内，那么这个就构建一个CPU的类型对象，对象中记录了这个类型的静态字段、方法，所有这个类型的实例对象的类型对象指针都指向这个类型对象。从上图也可看出来
所以调用一个方法的过程是，通过栈上的引用变量找到GC堆上的对象，通过这个实例对象的类型对象指针找到它自身的类型对对象，然后从类型对象中的方法表中调用对应方法（这里指一般情况，不涉及继承和多态）。比如CPU这个类型对象如下，其中有个TpyeHandle,是堆上Cpu对象指向的地方，这个类型对象,除了一些静态字段外，还有指向它的方法表MethodTable.
对于方法表来说，方法表是存放在默认程序域中的是通过对象的类型指针（TypeHandle）和GC中的对象联系起来的。实际这里的TypeHandle是指向方法表的，方法表是放在程序域的高频堆中的。类加载器在当前类，父类和接口的元数据中遍历，然后创建方法表。在排列过程中，它替换所有的被覆盖的虚方法和被隐藏的父类方法，创建新的槽，在需要时复制槽。而类型对象的虚接口图，接口数量也会记录在方法表中。在方法表中有块区域(上图泛白色区域)，叫方法槽表（Method Solt Table），它指向各个方法的描述，我们知道实际JIT编译后的指令是存放在JIT堆中的。而在方法槽表下面是静态变量存储区域。决定类型行为的方法保存在方法槽表的区域中。
对于方法槽表的结构。最开始是方法槽数、任何类型的开始4个方法总是ToString, Equals, GetHashCode, and Finalize。这些是从System.Object继承的虚方法。然后后面是类型从基类继承的虚方法，接着是自己类型实现的方法，最后是构造方法。方法槽表的主要就够就是：虚方法--实例方法--构造方法，这样的排序。这里要特别主要的是，基类的实例方法和静态方法是不会继承到子类的方法槽表中的，这里和我们之前理解的，子类会继承父类所有的非构造方法是不同的。因为继承是逻辑上的，而这里是物理上的结构。也就是说，一个类型的方法表槽中，只有父类的虚方法和自己定义的方法（暂不管那4个方法和构造方法）。理解了方法槽表的结构，讲有助与理解继承和多态的本质。
这里再简单说下程序域（Domain）
说到程序域，在CLR执行托管代码的第一行代码前，会创建三个应用程序域。其中两个对于托管代码甚至CLR宿主程序（CLR hosts）都是不可见的。它们只能由CLR启动进程创建，而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll (在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如 上图所示，这些域是系统域（System Domain）和共享域（Shared Domain），都是使用了单件（Singleton）模式。第三个域是缺省应用程序域（Default AppDomain），它是一个AppDomain的实例，也是唯一的有命名的域。对于简单的CLR宿主程序，比如控制台程序，默认的域名由可执行映象文件的名字组成。其它的域可以在托管代码中使用AppDomain.CreateDomain方法创建，或者在非托管的代码中使用ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序，比如 ASP.NET，对于特定的网站会基于应用程序的数目创建多个域。
③运行多态相关的
从方法槽表我们可以知道，子类只会继承父类的虚方法到自己的方法表槽，在初始化程序的时候，每个类型都有一个自己的方法表（对象类型），存储在默认程序域的加载堆中。这个时候就已经明确了某个类型可以调用那些方法（从元数据中获得的）。然后程序开始由JIT进行编译，可以通过VS的调试-窗口-反汇编，结果如下
我们看到的是经过JIT编译后的汇编代码。我们主要看方法调用后有的代码，主要使用了2个指令mov和call，注意这里的call是汇编代码调用方法的指令,而不是IL代码中的Call。实际对于汇编语言，他是不区分那你调用的是虚方法还是。我们看上面可以发现，call后面的地址有两种，一种是{call+地址}，另一种是{call+【地址+偏移】}。对于方法槽表，其中每一个方法占用一个槽，而每个方法的地址，都是相对与方法表有一个偏移地址，也就是【方法表地址+槽偏移】来确定的
对于虚方法来说，JIT编译时我们只知道变量的类型，前面也说过了callvirt指令需要知道对象的实际类型，而实际类型对象是需要在运行是才能知道的，所以对于虚方法，JIT编译时无法确定方法的地址，就采用的第2种地址方式，地址+偏移。这里地址就是方法表的地址，而后面的偏移是方法槽的偏移。运行时不同的对象的this指针不同，所以最后的方法表地址(eax)也是不同的，不同的方法表就实现了的不同的方法，而这种间接的寻址方式正是多态的奥秘所在，但是我们运行时只获得了对象的方法表地址，那么是如何获得槽偏移的呢
再返回到 上面这个Cpu这个结构中
其实，对于c1对象,在编译时系统发现fun()方法是虚方法(元数据中有virtual标识)，JIT编译的时候无法确定调用方法的实际类型，对于c1变量来说,只看的到Cpu::fun()方法, 所以这个时候可以获得Cpu::fun()方法在Cpu类型对象中的槽偏移量；然后系统运行时，使用callvirt指令调用虚方法，调用虚方法时，传递一个this指针，系统发现就是变量类型，然后获得方法表地址，之前获得了槽偏移，这个时候就可以定位方法了
而对于c2变量，在JIT编译时同样获得了Cpu::fun()方法在Cpu类型对象中的槽偏移量，在运行时发现实际类型是IntelCpu而不是Cpu，所以传递的this指针是指向的IntelCpu对象类型，这个时候地址是IntelCpu的方法表地址，槽偏移确是Cpu方法表中的偏移，是如何访问到IntelCpu的方法的呢？这里就有个很重要的规则，就是子类继承父类时,虚方法的方法布局层次结构是不变的。所以fun方法,在Cpu类型对象和IntelCpu类型对象中,相对于方法表的偏移量是完全相同的。所以我们在JIT编译时确定槽偏移，运行时确定方法表地址，最终实现了多态。子类型只会继承父类型的虚方法槽到自己的方法槽表中，这也就是为什么每个类型的方法槽表前4个方法是Object对象的4个虚方法，因为保持了布局一致。最后要说的一点是,槽中存的是方法的实现地址,而不是方法的实现
override 和 new
明白了多态是如何实现的，谈到.NET中的多态就不能不提到这两个关键字。override是‘重写’，也就是子类重写父类的虚方法，增强父类中的此方法。而new在这里是‘隐藏’的意思，也就是说这个方法和父类虚方法没有仍和关系，是子类中一个新的方法，为什么叫隐藏我们往下看
对于虚方法的继承，CLR处理如下。首先编译Cpu类型，产生Cpu的方法表，其中包括了Cpu::fun()的槽，它指向了自己的实现地址。然后编译IntelCpu类型时发现他继承于Cpu类型，然后Cpu类型的整个虚方法槽布局被复制到IntelCpu类型的方法表中，当然槽的内同也是一样，也就是说，这个时候IntelCpu::fun()方法和Cpu::fun()指向同一个实现
然后系统发现方法使用了override关键字，也是就把IntelCpu::fun()中的实现地址该为自己的实现地址，当调用时，就不会调用Cpu::fun()的实现了，从而实现了多态
而对于new关键字，系统采用的方法是重新建立一个方法槽，名字也为IntelCpu::fun()。这个时候方法表中存在了2个fun()方法了。到底调用那一个方法呢，这就要根据方法类型了
到这里，让我们再整理一番上个的代码, 下面 InterCpu和 NewCpu都直接继承自 Cpu
①对于 变量类型同对象类型不同（就是父类引用子类对象）
c2和c3_1这两个对象的变量类型都是CPU类型，分配在栈上：
在编译前：他们都只能使用变量类型所具有的方法，也就是CPU::fun() 方法。
在编译时：编译器发现CPU::fun()是一个虚方法，然后便获得了fun的方法槽偏移量为【28H】 ，c2和c3_1对象调用fun（）方法的地址是【对象方法表地址】+【28H】 ；
在运行时：因为虚方法是通过callvirt 指令调用 ，需要知道具体的对象类型，这个时候c2对象是IntelCpu类型，而c3_1对象是NewCpu类型。于是访问c2.FUN()时地址是【IntelCpu类型地址】+【28H】；而c3_1.FUN()的地址是【NewCpu】+【28H】
面就是编译后的内存方法表的布局情况。IntelCpu类型使用了override关键字，所以方法槽偏移量为【28H】不再指向Cpu对象的方法地址，而NewCpu类型对象使用了new关键字，所以继承的方法槽偏移量为【28H】的地址仍旧指向CPU对象的方法地址，只是在下一个方法槽创建了一个新的fun方法。更具上面的图就很清楚的看出了运行时的结果。
②变量类型同对象类型相同（就是最正规的引用）
c1和c3_2这2个对象的变量类型与类型对象是相同的。
在编译前：c1变量是Cpu类型，所以能见的是Cpu::fun()方法；而c3_2变量是NewCpu类型，能见的是NewCpu::fun()方法（因为用new关键字覆盖了）
在编译时：发现c1的fun方法是虚方法，所以才c1.fun访问地址是【对象方法表地址】+【28H】 ；而c3_2的fun方法不是虚方法，所以编译器可以直接确定此方法的地址【0x0001】。
在运行时：同样是使用callvirt 指令调用，因为他们变量类型与类型对象是相同的，所以不会表现出多态
上面就是这种情况的方法表布局。可以看到NewCpu类型对象有两个fun方法，一个是继承于Cpu类型对象的虚方法，一个是自己新建的方法。
♥♥♥♥ c3_1对象同c3_2对象区别就在于他们栈上的变量类型不同。c3_1在编译时是Cpu对象，可见的fun是虚方法，所以获得了继承的fun方法的方法槽偏移量，而c3_2在编译时NewCpu对象，可见的fun方法是非虚方法，所以直接得到了自己的fun方法的地址 ♥♥♥♥
可以看出 对于override和new，new是自己新建的这个方法。而如果直接使用override方法，被重写的方法仍旧是虚方法，可以被自己的子类继续重写，一层一层
再看个例子
上面的列子中在父类中有2个虚方法，一个非虚方法。而子类中，只是覆盖了一个虚方法。而我们要关注的也就是这个子类的调用情况。因为父类没有任何方法被重写，所以准确的说，这里并不能算是一个多态的例子。但是有了虚方法，有了new，总是容易和多态混淆。还是那句话，弄清楚了方法表布局，一切都不在是问题
上面也说过，NewCpu方法表只会继承基类的虚方法到自己的方法槽表中，并且保持相同的布局； 所以此时的内存方法表应该如上图所示。fun1和fun3两个虚方法继承于父类，并且保持了相同的布局。而fun2是非虚方法，所以没有被继承。
调用fun1方法，和前一个例子是相同的，因为被覆盖，并且是非虚方法，所以编译时确定了地址
调用fun2方法，因为fun2是父类的一个非虚方法，所以也是编译时确定了地址
调用fun3方法，因为fun3方法是父类的一个虚方法，所以编译时只能确定方法槽的偏移量，而要在运行时确定运行地址
如下图所示：
上面是编译后的汇编代码，大家也可以到call指令后的地址形式。只有fun3是间接寻址，而其他是直接寻址。这里唯一的问题就是对fun2方法的调用。fun2没有被继承下来，那么NewCpu对象是如何去Cpu对象中得到他的地址的呢
上面是NewCpu生成的IL代码，我们可以发现Extends项目中指出了它的父类是Cpu类，这样在编译时，虽然在自身类中找不到fun2方法，但是系统会去他的父类中找到此方法并确定方法的地址，而在我们编译前，智能感知中能找到fun2，也是依靠元数据来实现的。而在子类实例化之前，调用父类构造函数，应该也是同一个道理。
再次强调下的是 平时我们说的继承，子类会继承父类的所有方法（包括私有方法，只是不能访问，但不包括构造方法），这个实际是逻辑上的继承，而真正物理上的集成只对虚方法有效，而且对于非虚方法也不需要去继承到子类中，方法表中是没有其他方法的身影的。
最后再 说下 接口 抽象类相关的
上面的列子包含了抽象方法，虚方法和接口方法，以及他们的继承和重写。实际上抽象方法和接口方法都是虚方法，只不过他们不需要也不能显示的使用virtual关键字，编译后看下
可以看到3种方法的IL代码都有virtual关键字，说明他们全是虚方法。不同的是接口和抽象方法都有abstract方法，表示他们都是抽象的，所以非抽象类或非接口继承他们之后都需要被实现。
再看下Cpu的编译后的
上面的Cpu类分别重写了3种方法。抽象方法和虚方法是相同的，而接口却多了一个final关键字，这样的话，此接口方法不能被子类重写，虽然他是虚方法。如果需要接口方法能被重写，需要显示的加上Virtual关键字，如下图。而如果希望一个虚方法不能被不能被子类重写，那么可以使用sealed关键字，而不能使用private来限制虚方法，因为虚拟成员或者抽象成员不能是私有的。
