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  • 深入理解C++虚函数底层机制和RTTI运行时类型识别

        当调用一个虚函数时,被执行的代码必须与调用函数对象的动态类型相一致:指向对象的指针或引用的类型是不重要的,编译器是如何高效地提供这种行为呢?大多数编译器是使用virtual table和virtual table pointers(vtbl和vptr)。

        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,它就有自己的vtbl,并且类中的vtbl的内容是指向所有该类虚函数实现体的指针,例如:

    class Test1{
        virtual void A();
        virtual void B();
        virtual void C();
        virtual void D();
    };


        Test的虚函数表会是这样的:

    如果有一个Test2继承了Test1:

    class Test2:public Test1{
        virtual void C();
        virtual void D();//重定义C和D
    }


    Test2的虚函数表会是这样的:

    这个结果表明:如果你有大量的类或者在每个类中有大量的虚函数,你会发现vtbl会yonkers大量的地址空间。

    问题:每个类都只需要一个vtbl拷贝,编译器该把它放在哪里?

        通常采用启发式算法:要在一个目标文件中生成一个雷的虚函数表,要求改目标文件中包含该类的第一个非内联,非纯虚的函数定义。

        同事虚函数表只实现了虚拟函数的一半机制,如果只有这些事没用的,需要一个指向虚函数表的指针来建立类和表的联系,每个生命了虚函数的对象都带有它,它是一个看不见的数据成员,指向该类的虚函数表,这个看不见的数据成员被称为vptr,被编译器加载对象里,位置只有编译器知道,其内存布局可能是这样的:

        但是不同的编译器放置它的位置不同,存在继承的情况下,一个对象的vptr经常被数据成员所包围,如果存在多继承,将会更加复杂。

        这也就意味着,如果你的数据成员只有4个字节,那么额外的虚函数指针会使得成员数据大小扩大一倍。

        考虑这段代码:

    void call(Test1 *ptr)
    {
        ptr->A();
    }


        通过指针ptr调用虚函数A,编译器在这个调用过程中生成的代码会做如下的事情:

        1.通过对象的vptr找到雷的vtbl,这是一个很简单的动作,因为编译器知道在对象内哪能找到vptr(毕竟是由编译器放置的)。这个代价只是一个偏移调整(找到虚函数指针)和一个指针的间接寻址(得到vtbl)。

        2.找到对应vtbl内的指向被调用函数的指针,这也是很简单的,因为编译器为每个虚函数在vtbl内分配了一个唯一的索引,这个代价只是在vtbl数组内的一个偏移。

        3.调用第二步找到的指针所指向的函数。

        上述的调用会变成这样:

    (*ptr->vptr[i])(ptr);//ptr被当做this指针传递给函数


        在实际运行中,虚函数所需要的代价和内联函数有关,实际上虚函数无法内联。因为内联是“编译期间用被调用的函数体本身来代替函数调用的指令”,但是虚函数是“知道运行时才能知道调用了哪一个函数”。

      在多继承中,问题会更复杂,如果没有virtual base class,子类会包含多个虚表以及指向虚表的指针,然而,一半会引入虚基类(为了防止钻石继承),按照《深入探索C++对象模型》中的说法,这样会引入两个问题:

        1.每一个对象必须针对其每一个virtual base class背负一个额外的指针,但我们却希望class object有固定的负担,不因为其virtual base class的数目而有变化。

        2.由于虚继承串链的加长,导致间接存取层次增加。比如:有三层虚继承,那需要三级间接存取(经由三个virtual base class指针),但我们希望有固定的存取时间。

        第一个问题一般有两种解决方法:

        Microsoft编译器引入所谓的virtual base class table,每一个class object,如果有一个或者多个virtual base class,就会由编译器安插一个指针,指向virtual base class table,至于自己的virtual base class指针则会放在该表格中,比如:

        第二个解决办法就是在虚函数表中放置虚基类的偏移量:

        RTTI:运行时类型识别

        RTTI能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,这些信息被存放在type——info的对象中,而RTTI被设为基于虚函数表来实现

      因此Test1类的实现可能是这样:

       

    https://github.com/li-zheng-hao
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