【M24】了解虚方法、多继承、虚基类、RTTI的成本

本是古典何须时尚 2022-03-28 15:42 266阅读 0赞

1、编译器必须实现出C++语言的特性。一般情况下，我们只需要使用这些特性就好了，不需要关心内部的实现细节。但是，有些特性的实现，会对对象的大小和成员方法的执行速度造成影响。因此，有必要了解内部实现的细节。

2、首先考虑虚方法，虚方法是用来实现多态的。多态是指对于指针和引用，表面类型和真实类型不一致的情况下，调用真实类型的虚方法。

3、虚方法有关的实现细节为：

a、父类有一个虚方法表（vtbl），可以认为是一个方法指针的数组（这里注意：对于数组，我们知道元素的类型必须一致，虚方法表中的虚方法类型是不一样的，这里进行了特殊处理），方法指针指向父类的虚方法。

b、子类整体拷贝父类的虚方法表，对于重写的虚方法，在相同位置置换为重写后的虚方法地址，对于新增的虚方法，在数组的尾部添加。

c、对于多态类的对象，内部有一个字段为vptr，指向该类的vtbl。考虑，构造子类对象，首先调用父类构造方法，将vptr初始化为指向父类的虚方法表，然后调用子类的构造方法，将vptr重置为指向子类的虚方法表。

4、需要注意的情况：

a、虚方法表是对应于类的，一个类有一个虚方法表。一般情况下，内存的消耗可以忽略。但是考虑极端的情况，一个父类有1000个虚方法，子类重写一个虚方法，并且有大量类似的子类，出现相同的方法指针，存储多次，就会导致占用大量的内存。

b、对象多一个vptr字段，如果对象本身比较小，vptr占用的内存比例就大了。

c、C++重写为什么要使用virtual关键字？从封装角度而言，类本身是个命名空间，有一个范围的概念。父类是大范围，子类是小范围，在C++中，小范围的名称会隐藏大范围的名称，而不关心名称的类型。使用virtual，其实是告诉编译器不要进行隐藏。把该方法保存到虚方法表中（可以认为是一种特殊情况的隐藏）。

d、在编译的时候，编译器只知道指针或者引用的表面类型。不同类型的指针，本质上没有区别，就是一个地址。重要的是，可以告诉编译器按照什么样的方式去解释指向的内存。这就引出一个问题，把子类对象当成父类对象来解释，不会出现问题。如何保证呢？

第一点，子类对象和父类对象在相同位置都有一个vptr，一般在头部。

第二点，子类虚方法表和父类虚方法表在位置上是一一对应的。

比如：pc->f1(); 产生的代码是：(\* pc->vptr\[i\]) (pc); 找到第i个虚方法指针，解引用，pc传递为this指针。

e、一般情况下，重写要求：子类方法与父类方法，形参表和返回类型完全一致。但是有两种特殊情况：

重写的析构方法，子类父类的方法名各自为本身类名；

父类返回Base\*，子类可以返回Derived\*，目前C++支持部分的逆变协变，还不支持完全的逆变协变。

f、虚方法不能inlined，这个很好理解。inline可认为编译时文本替换，虚方法运行时确定方法的调用，二者矛盾。

5、多重继承，使问题更复杂。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。

6、考虑，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。

7、考虑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。如 int a, Person p;

typeid(a) 转化为 typeid(int) 求值;

typeid(p) 转化为 typeid(Person) 求值;

8、如果不是多态类，也就是没有虚方法，typeid(\*base) 返回表面类型。如果是多态类，typeid(\*base) 可以返回真实类型。这意味着内部有一定的实现方法。可以认为，在类的虚方法表中第一项就是当前类的type\_info属性。这也解释了，为什么只有多态类才能用typeid求出真实类型。非多态类没有虚方法表。