掀起你的盖头来——谈VC++对象模型

　　成员函数

　　一个C++成员函数只是类范围内的又一个成员。X类每一个非静态的成员函数都会接受一个特殊的隐藏参数——this指针，类型为X* const。该指针在后台初始化为指向成员函数工作于其上的对象。同样，在成员函数体内，成员变量的访问是通过在后台计算与this指针的偏移来进行。

 

struct P {    int p1;    void pf(); // new    virtual void pvf(); // new   };

  　　P有一个非虚成员函数pf()，以及一个虚成员函数pvf()。很明显，虚成员函数造成对象实例占用更多内存空间，因为虚成员函数需要虚函数表指针。这一点以后还会谈到。这里要特别指出的是，声明非虚成员函数不会造成任何对象实例的内存开销。现在，考虑P::pf()的定义。
 

void P::pf() { // void P::pf([P *const this])    ++p1;   // ++(this->p1); }

　　这里P:pf()接受了一个隐藏的this指针参数，对于每个成员函数调用，编译器都会自动加上这个参数。同时，注意成员变量访问也许比看起来要代价高昂一些，因为成员变量访问通过this指针进行，在有的继承层次下，this指针需要调整，所以访问的开销可能会比较大。然而，从另一方面来说，编译器通常会把this指针缓存到寄存器中，所以，成员变量访问的代价不会比访问局部变量的效率更差。

　　译者注：访问局部变量，需要到SP寄存器中得到栈指针，再加上局部变量与栈顶的偏移。在没有虚基类的情况下，如果编译器把this指针缓存到了寄存器中，访问成员变量的过程将与访问局部变量的开销相似。

　　1、覆盖成员函数

　　和成员变量一样，成员函数也会被继承。与成员变量不同的是，通过在派生类中重新定义基类函数，一个派生类可以覆盖，或者说替换掉基类的函数定义。覆盖是静态（根据成员函数的静态类型在编译时决定）还是动态（通过对象指针在运行时动态决定），依赖于成员函数是否被声明为“虚函数”。

　　Q从P继承了成员变量和成员函数。Q声明了pf()，覆盖了P::pf()。Q还声明了pvf()，覆盖了P::pvf()虚函数。Q还声明了新的非虚成员函数qf()，以及新的虚成员函数qvf()。

struct Q : P {    int q1;    void pf();  // overrides P::pf    void qf();  // new    void pvf(); // overrides P::pvf    virtual void qvf(); // new };

 
　　对于非虚的成员函数来说，调用哪个成员函数是在编译时，根据“->”操作符左边指针表达式的类型静态决定的。特别地，即使ppq指向Q的实例，ppq->pf()仍然调用的是P::pf()，因为ppq被声明为“P*”。（注意，“->”操作符左边的指针类型决定隐藏的this参数的类型。）
 

P p; P* pp = &p; Q q; P* ppq = &q; Q* pq = &q; pp->pf();  // pp->P::pf();  // P::pf(pp); ppq->pf(); // ppq->P::pf(); // P::pf(ppq); pq->pf();  // pq->Q::pf();  // Q::pf((P*)pq); （错误!） pq->qf();  // pq->Q::qf();  // Q::qf(pq);

　　译者注：标记“错误”处，P*似应为Q*。因为pf非虚函数，而pq的类型为Q*，故应该调用到Q的pf函数上，从而该函数应该要求一个Q* const类型的this指针。

　　对于虚函数调用来说，调用哪个成员函数在运行时决定。不管“->”操作符左边的指针表达式的类型如何，调用的虚函数都是由指针实际指向的实例类型所决定。比如，尽管ppq的类型是P*，当ppq指向Q的实例时，调用的仍然是Q::pvf()。
 

pp->pvf();  // pp->P::pvf();  // P::pvf(pp); ppq->pvf(); // ppq->Q::pvf(); // Q::pvf((Q*)ppq); pq->pvf();  // pq->Q::pvf();  // Q::pvf((P*)pq); （错误！）

　　译者注：标记“错误”处，P*似应为Q*。因为pvf是虚函数，pq本来就是Q*，又指向Q的实例，从哪个方面来看都不应该是P*。

　　为了实现这种机制，引入了隐藏的vfptr成员变量。一个vfptr被加入到类中（如果类中没有的话），该vfptr指向类的虚函数表（vftable）。类中每个虚函数在该类的虚函数表中都占据一项。每项保存一个对于该类适用的虚函数的地址。因此，调用虚函数的过程如下：取得实例的vfptr；通过vfptr得到虚函数表的一项；通过虚函数表该项的函数地址间接调用虚函数。也就是说，在普通函数调用的参数传递、调用、返回指令开销外，虚函数调用还需要额外的开销。

　　回头再看看P和Q的内存布局，可以发现，VC++编译器把隐藏的vfptr成员变量放在P和Q实例的开始处。这就使虚函数的调用能够尽量快一些。实际上，VC++的实现方式是，保证任何有虚函数的类的第一项永远是vfptr。这就可能要求在实例布局时，在基类前插入新的vfptr，或者要求在多重继承时，虽然在右边，然而有vfptr的基类放到左边没有vfptr的基类的前面。

　　许多C++的实现会共享或者重用从基类继承来的vfptr。比如，Q并不会有一个额外的vfptr，指向一个专门存放新的虚函数qvf()的虚函数表。Qvf项只是简单地追加到P的虚函数表的末尾。如此一来，单继承的代价就不算高昂。一旦一个实例有vfptr了，它就不需要更多的vfptr。新的派生类可以引入更多的虚函数，这些新的虚函数只是简单地在已存在的，“每类一个”的虚函数表的末尾追加新项。

　　2、多重继承下的虚函数

　　如果从多个有虚函数的基类继承，一个实例就有可能包含多个vfptr。考虑如下的R和S类：

 

struct R {    int r1;    virtual void pvf(); // new    virtual void rvf(); // new };

 

struct S : P, R {    int s1;    void pvf(); // overrides P::pvf and R::pvf    void rvf(); // overrides R::rvf    void svf(); // new };

  　　这里R是另一个包含虚函数的类。因为S从P和R多重继承，S的实例内嵌P和R的实例，以及S自身的数据成员S::s1。注意，在多重继承下，靠右的基类R，其实例的地址和P与S不同。S::pvf覆盖了P::pvf()和R::pvf()，S::rvf()覆盖了R::rvf()。
 

S s; S* ps = &s; ((P*)ps)->pvf(); // (*(P*)ps)->P::vfptr[0])((S*)(P*)ps) ((R*)ps)->pvf(); // (*(R*)ps)->R::vfptr[0])((S*)(R*)ps) ps->pvf();       // one of the above; calls S::pvf()

　　译者注：

　　·调用((P*)ps)->pvf()时，先到P的虚函数表中取出第一项，然后把ps转化为S*作为this指针传递进去；

　　·调用((R*)ps)->pvf()时，先到R的虚函数表中取出第一项，然后把ps转化为S*作为this指针传递进去；

　　因为S::pvf()覆盖了P::pvf()和R::pvf()，在S的虚函数表中，相应的项也应该被覆盖。然而，我们很快注意到，不光可以用P*，还可以用R*来调用pvf()。问题出现了：R的地址与P和S的地址不同。表达式(R*)ps与表达式(P*)ps指向类布局中不同的位置。因为函数S::pvf希望获得一个S*作为隐藏的this指针参数，虚函数必须把R*转化为S*。因此，在S对R虚函数表的拷贝中，pvf函数对应的项，指向的是一个“调整块”的地址，该调整块使用必要的计算，把R*转换为需要的S*。

　　译者注：这就是“thunk1: this-= sdPR; goto S::pvf”干的事。先根据P和R在S中的偏移，调整this为P*，也就是S*，然后跳转到相应的虚函数处执行。

　　在微软VC++实现中，对于有虚函数的多重继承，只有当派生类虚函数覆盖了多个基类的虚函数时，才使用调整块。