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C++教程之虚函数与内联的关系分析 作者:计算机培…    教程来源:广州计算机培训    点击数:    更新时间:2010-12-1

    我们曾经在讨论C++的时候,经常会问到:虚函数能被声明为内联吗?现在,我们几乎听不到这个问题了。现在听到的是:你不应该使print成为内联的。声明一个虚函数为内联是错误的!
    这种说法的两个主要的原因是(1)虚函数是在运行期决议而内联是一个编译期动作,所以,我们将虚函数声明为内联并得不到什么效果;(2)声明一个虚函数为内联导致了函数的多分拷贝,而且我们为一个不应该在任何时候内联的函数白白花费了存储空间。这样做很没脑子。

     我们先来看看第一个:许多情况下,虚拟函数都被静态地决议了——比如在派生类虚拟函数中调用基类的虚拟函数的时候。为什么这样做呢?封装。一个比较明显的例子就是派生类析构函数调用链。所有的虚析构函数,除了最初触发这个析构链的虚析构函数,都被静态的决议了。如果不将基类的虚析构函数内联,我们无法从中获利[a]。这和不内联一个虚拟析构函数有什么不同吗?如果继承体系层次比较深并且有许多这样的类的实例要被销毁的话,答案是肯定的。
    再来看另外一个不用析构函数的例子,想象一下设计一个图书馆类。我们将MaterialLocation作为抽象类LibraryMaterial的一个成员。将它的print成员函数声明为一个纯虚函数,并且提供函数定义:它输出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; }

接着,我们引入一个Book类,它的print函数输出Title, Author等等。在这之前,它调用基类的print函数(LibraryMaterial::print())来显示书本位置(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类,派生于Book类,并加入附加信息,比如旁述,音频格式等等。这些东西都用它的print函数输出。再这之前,我们需要调用Book::print()来显示前面的信息。
inline void
AudioBook::
print( ostream &os )
{
// ok, this is resolved statically,
// and therefore is inline expanded ...
Book::print();
os << "narrator:" << _narrator << endl;
}

这和虚析构函数调用链的例子一样,都只是最初调用的虚函数没有被静态决议,其它的都被原地展开。This unnamed hierarchical design pattern is significantly less effective if we never declare a virtual function to be inline.

那么对于第二个原因中代码膨胀的问题呢?我们来分析一下,如果我们写下:
LibraryMaterial *p =
new AudioBook( "Mason & Dixon",
"Thomas Pynchon", "Johnny Depp" );
// ...
p->print();

这个print实例是内联的吗?不,当然不是。这样不得不通过虚拟机制在运行期决议。这让print实例放弃了对它的内联声明了吗?也不是。这个调用转换为下面的形式(伪代码):

// 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.因为调用print是通过函数指针_vptr[2]进行的,所以,编译器不能静态的决定这个调用地址,并且,这个函数也不能内联。
     当然,虚函数print的内联实体(definition)也必须在某个地方表现出来。 即是说,至少有一个函数实体是在virtual table调用的地址原地展开的。编译器是如何决定在何时展开这个函数实体呢?其中一个编译(implementaion)策略是当virtual table生成的同时,生成这个函数实体。这就是说对于每一个派生类的virtual table都会生成一个函数实体。
      在一个可应用的类[b]中有多少vitrual table会被生成呢?呵呵,这是一个好问题。C++标准中对虚函数行为进行了规定,但是没有对函数实现进行规定。由于virtual table没有在C++标准中进行规定,很明显,究竟这个virtual table怎样生成,和究竟要生成多少个vitrual table也没有规定。多少个?当然,我们只要一个。Stroustrupcfront编译器,很巧妙的处理了这些情况.( 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
。新的规则要求编译器只展开一个内联虚函数。如果一点被广泛采用的话,虚函数的内联导致的代码膨胀问题就会消失。
[
译注:C++ Standard: 9.3.8, Member function of local class shall be defined inline in their class defination, if they are defined at all]

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译注:

[a]函数调用开销,调用基类虚函数的时候至少要经过两次间接过程(S. B.Lippman: Inside the C++ Object Model)
[b]
一个产品类

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