C/C++编程：理解虚函数、多继承、虚基类和RTTI的代价

秒速五厘米 2023-01-21 11:15 30阅读 0赞

C++编译器必须实现语言的每一个特性。不同的编译器有不同的方法实现。大部分时间不需要关心这些事情，但是有时了解它们能让我们写出更好的代码。

# 虚函数 #

当调用一个虚函数时，被执行的代码必须与调用函数的对象的动态类型一致，指向对象的指针或引用的类型是不重要的。编译器如何能够高效的提供这种行为呢？大多数编译器是使用virtual pointer(vtbl)和virtual table pointer(vptr)实现的。

一个vtbl通常是一个函数指针数组。在程序中每个类只要声明了虚函数或者继承了虚函数，它就有自己的vtbl，并且类种vtbl的项目是指向虚函数实现体的指针。

class C1{
        
    public:
    	C1();
    	virtual ~C1();
    	virtual void f1();
    	virtual int f2(char c) const;
    	virtual void f3(const string &s);
    	void f4() const;
    };
    
    class C1{
        
    public:
    	C2();
    	virtual ~C2();
    	virtual void f1();
    	virtual void f5(*str);	
    }

![在这里插入图片描述][20210515180513120.png]  
对于C1的vtbl：

*  注意非虚函数【f4和构造函数】不在vtbl种
 *  非虚函数就像普通的C函数那样被实现，所以有关它们的使用在性能上没有特殊的考虑

对于C2的vtbl：指向与对象相适合的函数。这些项目包括指向没有被C2重定义的C1虚函数的指针。

这个论述引出了虚函数所需的第一个代价：你必须为每个包含虚函数的类的**虚函数表**留出空间。类的vtbl的大小与类种声明的虚函数数量成正比(包括从基类继承的虚函数)、每个类应该只有一个虚函数表，所以虚函数表所需的空间不会太大。

虚函数表只实现了虚函数的一般机制，还需要用某种方法指出每个对象的vtbl时，它们才能使用，这就是vritual table pointer的工作，它来建立这种联系。

每个声明了虚函数的对象都带有它，它是一个看不见的数据成员，指向对应类的virtual table。是编译器自己添加的。

![在这里插入图片描述][20210515181239440.png]  
这张图片表示vptr位于对象的底部，但是实际上不同的编译器防止它的为止也不同。存在继承的情况下，一个对象的vptr经常被数据成员所包围。现在，我们只需要记住虚函数所需的第二个代价：**在每个包含虚函数的类的对象里，你必须为额外的指针付出代价**

如果对象很小，这是一个很大的代价，额外的vptr可能会使成员数据大小增加一倍。在内存受到限制的系统里，这意味这你必须减少建立对象的数量。即使在内存没有限制的系统里，你也会发现这会降低软件的性能，因为较大的对象有可能不适合放在cache或者虚拟内存页(virtual memory page)，这就可能使得系统换页操作增多。

如果我们有一个程序，保护几个C1和C2对象。那么  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

void makeACall(C1 *pC1){
        
    	pC1->f1();
    }

因为pC1可能指向C1对象或者C2对象，因此你不会知道它调用的是哪一个f1-------C1::f1()或者C2::f1()。编译器必须确保无论pC1指向什么对象，函数的调用必须正确。编译器生成的代码会做如下事情：

*  通过对象的vptr找到类的vtbl
 *  找到对应vtbl内的指向被调用函数的指针(f1)----通过编译器为每个虚函数在vtbl内分配的唯一的索引
 *  调用第二步找到的指针所指向的函数。

//pC1->f1();
    (*pC1->vptr[i])(pC1);

这几乎与调用非虚函数效率一样。在大多数计算机上它多执行了很少的一些指令。调用虚函数的代价基本上和通过函数指针调用函数一样。虚函数本身通常不是性能瓶颈。

在实际运行中，虚函数所需的代价与内联函数有关。实际上虚函数不能是内联的，这是因为”内联“是指”在编译期被调用的函数体本身来代替函数调用的指令“。但是虚函数的”虚“是指”直到运行时才能直到要调用哪一个函数“。如果编译期在某个函数的调用者不知道具体哪个函数被调用，你就能知道为什么它不会内联该函数的调用。这是虚函数的第三个代价：**你实际上放弃了使用内联函数**（当通过对象调用虚函数时，它可以被内联，但是大部分虚函数是通过指针或者引用被调用的，这种调用不能被内联。因为这种调用是标准的调用方式，所以虚函数实际上不能被内联）

# 多继承&虚基类 #

在多继承中，会有多个vptr：自己的vprt+每一个基类都会产生vtbl。

多继承经常导致对虚基类的需求。没有虚基类，如果一个派生类有一个以上从基类的继承路径，基类的数据成员被复制到每一个继承类对象里，继承类和基类间的每条路径都有一个拷贝，程序员一般不会发生这种复制，而把基类定义为虚基类可以消除这种复制。  
![在这里插入图片描述][2021051521411637.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
如果在vtbl加入这个对象的图片，那么D的内存布局如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
上面虽然存在四个类，但是只有三个vptr，这是因为B和D共享了一个vptr。

# 运行时类型识别RTTI #

RTTI能够让我们在运行时找到对象和类的有关信息，所以肯定有某个地方存储了这些信息让我们查询。这些信息被存储为type\_info的对象里，你能够通过使用typeid操作符访问一个类的type\_info对象。

在每个类仅仅需要一个RTTI的拷贝，但是必须保证有办法找到任何对象的类型信息。实际上上面的说明不是很准确。语言规范上这样描述：**我们保证获得一个对象动态类型信息，如果该类型有至少一个虚函数**。这使得RTTI有些像虚函数表，实际上RTTI是在类的vtbl上实现的。

比如，vtbl数组的索引0处可以包含一个type\_info对象的指针，这个对象属于该vtbl相对应的类。  
![在这里插入图片描述][20210515214857351.png]

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[20210515214857351.png]: /images/20221020/0c103793d94b43e0b1350d4932ab9b33.png