【C++ Efficiency】理解虚函数、多重继承、虚基类和RTTI

虚函数

虚函数的实现

当调用一个虚函数时，一般都是使用了virtual table和virtual table pointer，简称vtbl和vptr：

vtbl

一个函数指针数组。

在程序中，一个类凡是声明或继承了虚函数，都有一个vtbl，是指向虚函数实现体的指针。例如：

cpp 复制代码

class C1
{
public:
	C1();
	virtual ~C1();
	virtual void f1();
	virtual int f2(char c) const;
	virtual void f3(const string& s);
	void f4() const;
	...
};
//虚函数按照其声明顺序放于vtbl表中
//vtbl数组中的每一个元素对应一个函数指针指向该类的虚函数

cpp 复制代码

//如果C2继承自C1，重新定义某些继承而来的虚函数，并加入新的虚函数:
class C2 : public C1
{
public:
	C2();						//非虚函数
	virtual ~C2();				//重定义函数
	virtual void f1();			//重定义函数
	virtual void f5(char* str);	//新的虚函数
	...
};
//此时，C2的vtbl包括没有被C2重定义的C1虚函数的指针f2、f3

vptr

凡是声明了虚函数的类的对象都含有一个隐藏的数据成员，指向对应的类的virtual table，称为vptr。

虚函数的调用

通过对象的 vptr 找到类的 vtbl。这是一个简单的操作,因为编译器知道在对象内哪里能找到 vptr(毕竟是由编译器放置的它们)。因此这个代价只是一个偏移调整(以得到 vptr)和一个指针的间接寻址(以得到 vtbl)。
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。这步的代价只是在 vtbl 数组内的一个偏移。
调用第二步找到的的指针所指向的函数。

虚函数的成本

虚函数的第一个成本：

你必须为每个拥有虚函数的类耗费一个virtual table空间，其大小视虚函数的个数而定，包括继承而来的。
虚函数的第二个成本：

你必须在每一个拥有虚函数的对象内付出"一个额外指针"的代价。
虚函数的第三个成本：

你放弃了使用内联函数。

参考：C++虚函数实现原理与代价

多重继承

每个对象含有多个vptr，针对不同的父类vtbl，子类产生一个特殊的vtbl。

虚基类

D->B->A，D->C->A，会导致A的字段在D中有两份，这显然不合理。为了解决这个问题，使用虚拟继承：B，C虚继承A，大多数编译器会利用这样的机会来减少编译器的负担。。

运行时类型识别RTTI

C++提供关键字typeid 获取类的type_info对象；
一个类对应于一个type_info对象；
类及其所有的对象共享一份RTTI信息。

RTTI的设计理念是：根据class的vtbl来实现。

总结

理解虚函数、多重继承、虚基类及RTTI的成本很重要。

但你必须知道：如果你需要这些功能，就要忍受这些成本，世事难两全。有时你确实想要回避编译器生成的服务，例如隐式vptr和"指向虚基类"的指针会造成"将C++对象存储于数据库"和"跨进程移动C++对象"困难度提高，所以你希望有某种方法模拟这些性质。不过从效率上来讲，自己写的不可能比编译器生成的更好。