C++ 中成员函数指针？

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-08-05 22:04 182阅读 0赞

当我们讨论指针时，通常假设它是一种可以用 `void *` 指针来表示的东西，在 x86\_64 平台下是 8 个字节大小。例如，下面是来自 [维基百科中关于 x86\_64 的文章][x86_64] 的摘录：

> Pushes and pops on the stack are always in 8-byte strides, and pointers are 8 bytes wide.

从 CPU 的角度来看，指针无非就是内存的地址，所有的内存地址在 x86\_64 平台下都是由 64 位来表示，所以假设它是 8 个字节是正确的。通过简单输出不同类型指针的长度，这也不难验证我们所说的。

#include <iostream> int main() { std::cout << "sizeof(int*) == " << sizeof(int*) << "\n" "sizeof(double*) == " << sizeof(double*) << "\n" "sizeof(void(*)()) == " << sizeof(void(*)()) << std::endl; }

编译运行上面的程序，从结果中可以看出所有的指针的长度都是 8 个字节：

$ uname -i
    x86_64
    $ g++ -Wall ./example.cc
    $ ./a.out
    sizeof(int*)      == 8
    sizeof(double*) == 8 sizeof(void(*)()) == 8

然而在 C++ 中还有一种特例——成员函数的指针。很有意思吧，成员函数指针是其它任何指针长度的两倍。这可以通过下面简单的程序来验证，输出的结果是 “16”：

#include <iostream> struct Foo { void bar() const { } }; int main() { std::cout << sizeof(&Foo::bar) << std::endl; }

这是否以为着维基百科上错了呢？显然不是！从硬件的角度来看，所有的指针仍然是 8 个字节。既然如此，那么成员函数的指针是什么呢？这是 C++ 语言的特性，这里成员函数的指针不是直接映射到硬件上的，它由运行时（编译器）来实现，会带来一些额外的开销，通常会导致性能的损失。C++ 语言规范中并没有提到实现的细节，也没有解释这种类型指针。幸运的是，Itanium C++ ABI 规范中共享了 C++ 运行时实现的细节——举例来说，它解释了 Virtual Table、RTTI 和异常是如何实现的，在 §2.3 中也解释了成员指针：

> A pointer to member function is a pair as follows:
> 
> ptr:
> 
> For a non-virtual function, this field is a simple function pointer. For a virtual function, it is 1 plus the virtual table offset (in bytes) of the function, represented as a ptrdiff\_t. The value zero represents a NULL pointer, independent of the adjustment field value below.
> 
> adj:
> 
> The required adjustment to this, represented as a ptrdiff\_t.

所以，成员指针是 16 字节而不是 8 字节，因为在简单函数指针的后面还需要保存怎样调整 “this" 指针（总是隐式地传递给非静态成员函数）的信息。 ABI 规范并没有说为什么以及什么时候需要调整 this 指针。可能一开始并不是很明显，让我们先看下面类继承的例子：

struct A { void foo() const { } char pad0[32]; }; struct B { void bar() const { } char pad2[64]; }; struct C : A, B { };

A 和 B 都有一个非静态成员函数以及一个数据成员。这两个方法可以通过隐式传递给它们的 “this" 指针来访问到它们类中的数据成员。为了访问到任意的数据成员，需要在 "this" 指针上加上一个偏移，偏移是数据成员到类对象基址的偏移，可以由 ptrdiff\_t 来表示。然而事情在多重继承时将会变得更复杂。我们有一个类 C 继承了 A 和 B，将会发生什么呢？编译器将 A 和 B 同时放到内存中，B 在 A 之下，因此，A 类的方法和 B 类的方法看到的 this 指针的值是不一样的。这可以通过实践来简单验证，如：

#include <iostream>
    
    struct A {
        void foo() const {
            std::cout << "A's this: " << this << std::endl;
        }
        char pad0[32];
    };
    
    struct B {
        void bar() const {
            std::cout << "B's this: " << this << std::endl;
        }
        char pad2[64];
    };
    
    struct C : A, B
    { };
    
    int main()
    {
        C obj;
        obj.foo();
        obj.bar();
    }

$ g++ -Wall -o test ./test.cc && ./test A's this: 0x7fff57ddfb48 B's this: 0x7fff57ddfb68

正如你看到的，“this” 指针的值传给 B 的方法要比 A 的方法要大 32 字节——一个类 A 对象的实际大小。但是，当我们用下面的函数通过指针来调用类 C 的方法时，会发生什么呢？

void call_by_ptr(const C &obj, void (C::*mem_func)() const) { (obj.*mem_func)(); }

与调用什么函数有关，不同的 "this" 指针值会被传递到这些函数中。但是 `call_by_ptr` 函数并不知道它的参数是 `foo()` 的指针还是 `bar()` 的指针，能知道该信息的唯一时机是这些方法使用时。这就是为什么成员函数的指针在调用之前需要知道如何调整 `this` 指针。现在，我们将所有的放到一个简单的程序，阐释了内部工作的机制：

#include <iostream> struct A { void foo() const { std::cout << "A's this:\t" << this << std::endl; } char pad0[32]; }; struct B { void bar() const { std::cout << "B's this:\t" << this << std::endl; } char pad2[64]; }; struct C : A, B { }; void call_by_ptr(const C &obj, void (C::*mem_func)() const) { void *data[2]; std::memcpy(data, &mem_func, sizeof(mem_func)); std::cout << "------------------------------\n" "Object ptr:\t" << &obj << "\nFunction ptr:\t" << data[0] << "\nPointer adj:\t" << data[1] << std::endl; (obj.*mem_func)(); } int main() { C obj; call_by_ptr(obj, &C::foo); call_by_ptr(obj, &C::bar); }

上面的程序输出如下：

------------------------------
    Object ptr:    0x7fff535dfb28
    Function ptr:  0x10c620cac
    Pointer adj:   0
    A's this:    0x7fff535dfb28
    ------------------------------
    Object ptr:    0x7fff535dfb28
    Function ptr:  0x10c620cfe
    Pointer adj:   0x20
    B's this:    0x7fff535dfb48

希望本文能使问题变得更明确一点。

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译自：http://741mhz.com/wide-pointers/

[x86_64]: http://en.wikipedia.org/wiki/X86-64#Architectural_features