C++標準編程：虛函數與內聯
發布時間：2011-5-1 20:09
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曾經在討論C++的時候，經常會問到：“虛函數能被聲明為內聯嗎?”現在，我們幾乎聽不到這個問題了�，F在聽到的是：“你不應該使print成為內聯的。聲明一個虛函數為內聯是錯誤的!” 這種說法的兩個主要的原因是(1)虛函數是在運行期決議而內聯是一個編譯期動作，所以，我們將虛函數聲明為內聯并得不到什么效果;(2)聲明一個虛函數為內聯導致了函數的多分拷貝，而且我們為一個不應該在任何時候內聯的函數白白花費了存儲空間。這樣做很沒腦子。 不過，事實并不是這樣。我們先來看看第一個：許多情況下，虛擬函數都被靜態地決議了——比如在派生類虛擬函數中調用基類的虛擬函數的時候。為什么這樣做呢?封裝。一個比較明顯的例子就是派生類析構函數調用鏈。所有的虛析構函數，除了最初觸發這個析構鏈的虛析構函數，都被靜態的決議了。如果不將基類的虛析構函數內聯，我們無法從中獲利[a]。這和不內聯一個虛擬析構函數有什么不同嗎?如果繼承體系層次比較深并且有許多這樣的類的實例要被銷毀的話，答案是肯定的。 再來看另外一個不用析構函數的例子，想象一下設計一個圖書館類。我們將MaterialLocation作為抽象類LibraryMaterial的一個成員。將它的print成員函數聲明為一個純虛函數，并且提供函數定義：它輸出MaterialLocation。 class LibraryMaterial { private: MaterialLocation _loc; // shared data // ... public: // declares pure virtual function inline virtual void print( ostream& = cout ) = 0; }; // we actually want to encapsulate the handling of the // location of the material within a base class // LibraryMaterial print() method - we just don’t want it // invoked through the virtual interface. That is, it is // only to be invoked within a derived class print() method inline void LibraryMaterial:: print( ostream &os ) { os << _loc; } 接著，我們引入一個Book類，它的print函數輸出Title, Author等等。在這之前，它調用基類的print函數(LibraryMaterial::print())來顯示書本位置(MaterialLocation)。如下： inline void Book:: print( ostream &os ) { // ok, this is resolved statically, // and therefore is inline expanded ... LibraryMaterial::print(); os << "title:" << _title << "author" << _author << endl; } AudioBook類，派生于Book類，并加入附加信息，比如旁述，音頻格式等等。這些東西都用它的print函數輸出。再這之前，我們需要調用Book::print()來顯示前面的信息。 inline void AudioBook:: print( ostream &os ) { // ok, this is resolved statically, // and therefore is inline expanded ... Book::print(); os << "narrator:" << _narrator << endl; } 這和虛析構函數調用鏈的例子一樣，都只是最初調用的虛函數沒有被靜態決議，其它的都被原地展開。This unnamed hierarchical design pattern is significantly less effective if we never declare a virtual function to be inline. 那么對于第二個原因中代碼膨脹的問題呢?我們來分析一下，如果我們寫下： LibraryMaterial *p = new AudioBook( "Mason & Dixon", "Thomas Pynchon", "Johnny Depp" ); // ... p->print(); 這個print實例是內聯的嗎?不，當然不是。這樣不得不通過虛擬機制在運行期決議。這讓print實例放棄了對它的內聯聲明了嗎?也不是。這個調用轉換為下面的形式(偽代碼)： // Pseudo C++ Code // Possible transformation of p->print() ( *p->_vptr[ 2 ] )( p ); where 2 represents the location of print within the associated virtual function table.因為調用print是通過函數指針_vptr[2]進行的，所以，編譯器不能靜態的決定這個調用地址，并且，這個函數也不能內聯。 當然，虛函數print的內聯實體(definition)也必須在某個地方表現出來。 即是說，至少有一個函數實體是在virtual table調用的地址原地展開的。編譯器是如何決定在何時展開這個函數實體呢?其中一個編譯(implementaion)策略是當virtual table生成的同時，生成這個函數實體。這就是說對于每一個派生類的virtual table都會生成一個函數實體。 在一個可應用的類中有多少vitrual table會被生成呢?呵呵，這是一個好問題。C++標準中對虛函數行為進行了規定，但是沒有對函數實現進行規定。由于virtual table沒有在C++標準中進行規定，很明顯，究竟這個virtual table怎樣生成，和究竟要生成多少個vitrual table也沒有規定。多少個?當然，我們只要一個。Stroustrup的cfront編譯器，很巧妙的處理了這些情況.( Stan and Andy Koenig described the algorithm in the March 1990 C++ Report article, "Optimizing Virtual Tables in C++ Release 2.0.") Moreover, the C++ Standard now requires that inline functions behave as though only one definition for an inline function exists in the program even though the function may be defined in different files。新的規則要求編譯器只展開一個內聯虛函數。如果一點被廣泛采用的話，虛函數的內聯導致的代碼膨脹問題就會消失。 [譯注：C++ Standard: 9.3.8, Member function of local class shall be defined inline in their class defination, if they are defined at all] ============================ 譯注： [a]函數調用開銷，調用基類虛函數的時候至少要經過兩次間接過程(S. B.Lippman: 《Inside the C++ Object Model》) 一個產品類(?) 總結： 就是虛函數inline在調用鏈等地方很有用~ 即使沒有加入inline聲明，作為一個好編譯器，都會優化(虛析構函數) 在很長的函數調用鏈中，最好將鏈中基類的函數inline，這樣節約開銷 至于在什么地方inline，由編譯器決定，因為C++標準沒有規定 新C++標準(可能沒有通過)中，規定了，inline化只對產品類有效，且只動作一次 保證代碼不過度膨脹 inline動作是在產品類實例化同時，和vtable生成一起。 |
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