c++ 虚函数的实现机制
时间：2010-08-12 来源：wsnhyjj
1、c++实现多态的方法
其实很多人都知道，虚函数在c++中的实现机制就是用虚表和虚指针，但是具体是怎样的呢？从more effecive c++其中一篇文章里面可以知道：是每个类用了一个虚表，每个类的对象用了一个虚指针。具体的用法如下：
class A
{
public:
virtual void f();
virtual void g();
private:
int a
};
class B : public A
{
public:
void g();
private:
int b;
};
//A，B的实现省略
因为A有virtual void f（），和g（），所以编译器为A类准备了一个虚表vtableA，内容如下：
B因为继承了A，所以编译器也为B准备了一个虚表vtableB，内容如下：
注意：因为B::ｇ是重写了的，所以B的虚表的g放的是B::g的入口地址，但是f是从上面的A继承下来的，所以f的地址是A::f的入口地址。
然后某处有语句 B bB;的时候，编译器分配空间时，除了A的int a，B的成员int b；以外，还分配了一个虚指针vptr，指向B的虚表vtableB，bB的布局如下：
当如下语句的时候：
A *pa = &bB;
pa的结构就是A的布局（就是说用pa只能访问的到bB对象的前两项，访问不到第三项int b）
那么pa->g()中，编译器知道的是，g是一个声明为virtual的成员函数，而且其入口地址放在表格（无论是vtalbeA表还是vtalbeB表）的第2项，那么编译器编译这条语句的时候就如是转换：call *(pa->vptr)[1]（C语言的数组索引从0开始哈~）。
这一项放的是B：：g()的入口地址，则就实现了多态。（注意bB的vptr指向的是B的虚表vtableB）
另外要注意的是，如上的实现并不是唯一的，C++标准只要求用这种机制实现多态，至于虚指针vptr到底放在一个对象布局的哪里，标准没有要求，每个编译器自己决定。我以上的结果是根据g++ 4.3.4经过反汇编分析出来的。
2、两种多态实现机制及其优缺点
除了c++的这种多态的实现机制之外，还有另外一种实现机制，也是查表，不过是按名称查表，是smalltalk等语言的实现机制。这两种方法的优缺点如下：
（1）、按照绝对位置查表，这种方法由于编译阶段已经做好了索引和表项(如上面的call *(pa->vptr[1]） )，所以运行速度比较快;缺点是：当A的virtual成员比较多（比如1000个），而B重写的成员比较少（比如2个），这种时候，B的vtableＢ的剩下的998个表项都是放Ａ中的ｖｉｒｔｕａｌ成员函数的指针，如果这个派生体系比较大的时候，就浪费了很多的空间。
比如：ＧＵＩ库，以ＭＦＣ库为例，ＭＦＣ有很多类，都是一个继承体系；而且很多时候每个类只是１，２个成员函数需要在派生类重写，如果用Ｃ＋＋的虚函数机制，每个类有一个虚表，每个表里面有大量的重复，就会造成空间利用率不高。于是ＭＦＣ的消息映射机制不用虚函数，而用第二种方法来实现多态，那就是：
（２）、按照函数名称查表，这种方案可以避免如上的问题；但是由于要比较名称，有时候要遍历所有的继承结构，时间效率性能不是很高。（关于ＭＦＣ的消息映射的实现，看下一篇文章）
３、总结：
如果继承体系的基类的virtual成员不多，而且在派生类要重写的部分占了其中的大多数时候，用Ｃ＋＋的虚函数机制是比较好的；
但是如果继承体系的基类的virtual成员很多，或者是继承体系比较庞大的时候，而且派生类中需要重写的部分比较少，那就用名称查找表，这样效率会高一些，很多的ＧＵＩ库都是这样的，比如ＭＦＣ，ＱＴ
ＰＳ. 其实，自从计算机出现之后，时间和空间就成了永恒的主题，因为两者在98%的情况下都无法协调，此长彼消；这个就是计算机科学中的根本瓶颈之所在。软件科学和算法的发展，就看能不能突破这对时空权衡了。呵呵
何止计算机科学如此，整个宇宙又何尝不是如此呢？最基本的宇宙之谜，还是时间和空间~
其实很多人都知道，虚函数在c++中的实现机制就是用虚表和虚指针，但是具体是怎样的呢？从more effecive c++其中一篇文章里面可以知道：是每个类用了一个虚表，每个类的对象用了一个虚指针。具体的用法如下：
class A
{
public:
virtual void f();
virtual void g();
private:
int a
};
class B : public A
{
public:
void g();
private:
int b;
};
//A，B的实现省略
因为A有virtual void f（），和g（），所以编译器为A类准备了一个虚表vtableA，内容如下：
|
A::f 的地址 |
|
A::g 的地址 |
B因为继承了A，所以编译器也为B准备了一个虚表vtableB，内容如下：
| A::f 的地址 |
| B::g 的地址 |
注意：因为B::ｇ是重写了的，所以B的虚表的g放的是B::g的入口地址，但是f是从上面的A继承下来的，所以f的地址是A::f的入口地址。
然后某处有语句 B bB;的时候，编译器分配空间时，除了A的int a，B的成员int b；以外，还分配了一个虚指针vptr，指向B的虚表vtableB，bB的布局如下：
|
vptr ： 指向B的虚表vtableB |
|
int a： 继承A的成员 |
|
int b： B成员 |
当如下语句的时候：
A *pa = &bB;
pa的结构就是A的布局（就是说用pa只能访问的到bB对象的前两项，访问不到第三项int b）
那么pa->g()中，编译器知道的是，g是一个声明为virtual的成员函数，而且其入口地址放在表格（无论是vtalbeA表还是vtalbeB表）的第2项，那么编译器编译这条语句的时候就如是转换：call *(pa->vptr)[1]（C语言的数组索引从0开始哈~）。
这一项放的是B：：g()的入口地址，则就实现了多态。（注意bB的vptr指向的是B的虚表vtableB）
另外要注意的是，如上的实现并不是唯一的，C++标准只要求用这种机制实现多态，至于虚指针vptr到底放在一个对象布局的哪里，标准没有要求，每个编译器自己决定。我以上的结果是根据g++ 4.3.4经过反汇编分析出来的。
2、两种多态实现机制及其优缺点
除了c++的这种多态的实现机制之外，还有另外一种实现机制，也是查表，不过是按名称查表，是smalltalk等语言的实现机制。这两种方法的优缺点如下：
（1）、按照绝对位置查表，这种方法由于编译阶段已经做好了索引和表项(如上面的call *(pa->vptr[1]） )，所以运行速度比较快;缺点是：当A的virtual成员比较多（比如1000个），而B重写的成员比较少（比如2个），这种时候，B的vtableＢ的剩下的998个表项都是放Ａ中的ｖｉｒｔｕａｌ成员函数的指针，如果这个派生体系比较大的时候，就浪费了很多的空间。
比如：ＧＵＩ库，以ＭＦＣ库为例，ＭＦＣ有很多类，都是一个继承体系；而且很多时候每个类只是１，２个成员函数需要在派生类重写，如果用Ｃ＋＋的虚函数机制，每个类有一个虚表，每个表里面有大量的重复，就会造成空间利用率不高。于是ＭＦＣ的消息映射机制不用虚函数，而用第二种方法来实现多态，那就是：
（２）、按照函数名称查表，这种方案可以避免如上的问题；但是由于要比较名称，有时候要遍历所有的继承结构，时间效率性能不是很高。（关于ＭＦＣ的消息映射的实现，看下一篇文章）
３、总结：
如果继承体系的基类的virtual成员不多，而且在派生类要重写的部分占了其中的大多数时候，用Ｃ＋＋的虚函数机制是比较好的；
但是如果继承体系的基类的virtual成员很多，或者是继承体系比较庞大的时候，而且派生类中需要重写的部分比较少，那就用名称查找表，这样效率会高一些，很多的ＧＵＩ库都是这样的，比如ＭＦＣ，ＱＴ
ＰＳ. 其实，自从计算机出现之后，时间和空间就成了永恒的主题，因为两者在98%的情况下都无法协调，此长彼消；这个就是计算机科学中的根本瓶颈之所在。软件科学和算法的发展，就看能不能突破这对时空权衡了。呵呵
何止计算机科学如此，整个宇宙又何尝不是如此呢？最基本的宇宙之谜，还是时间和空间~
相关阅读 更多 +
