C 虛指標實現及效率

單繼承虛函式例子

class point

virtual

float y() const

virtual

float z() const

// ...

protected:

point( float x = 0.0 );

float _x; };

class point2d : public point

~point2d();

// overridden base class virtual functions

point2d& mult( float );

float y() const

// ... other operations ...

protected:

float _y; };

class point3d: public point2d

~point3d();

// overridden base class virtual functions

point3d& mult( float );

float z() const

// ... other operations ...

protected:

float _z; };

vtable和vptr結構

虛函式的實現是通過vtable和vptr。每乙個帶有虛函式的類都有乙個vtable，在編譯器生成，每乙個帶有虛函式的類例項都有乙個vptr，該類例項vptr指向該類的vtable，在執行期生成。

如圖左部的類例項記憶體結構，編譯器為之生成__vptr__point的指標，指向該類的vtable。

vtable的結構是乙個函式指標陣列，陣列的每個元素是乙個函式指標，指向該類虛函式的位址。因為基類point的point::mult()為純虛函式，因此point對應的mult函式指標指向乙個pure_virtual_called()，丟擲呼叫純虛函式錯誤。

如圖vtable所示，point類和其子類的析構函式均在vtable[1]，mult在vtable[2]，y在vtable[3]，z在vtable[4]。如果point2d增加point2d自己的虛函式，同時point3d繼承point2d的虛函式，他們相同的虛函式介面同樣對應於相同的vtable陣列下標，如vtable[5]，此由編譯器保證，因而編譯器對於虛函式介面能將其轉換為函式指標陣列的下標。

故，當呼叫

ptr->z();

編譯器實際呼叫的是：

( *ptr->vptr[ 4 ] )( ptr );

從而可以找到ptr實際指向的vtable中的虛函式呼叫位址。

虛函式系統開銷

為了實現虛函式，編譯器產生的操作包括：

編譯期，為每乙個類增加乙個vtable函式指標陣列，並使其指向正確的虛函式實現。

執行期，在類的建構函式中，為每乙個類例項增加乙個vptr，指向該類的vtable。

編譯器，將虛函式呼叫編譯為函式指標的呼叫。

執行期，在虛函式呼叫時，通過指向vtable和呼叫函式的index，查詢函式指標(查詢效率為陣列隨機訪問，常數時間)，呼叫虛函式。

由分析得，虛函式開銷主要在編譯期的vtable函式指標陣列的構造，而執行期的函式指標查詢不是效能瓶頸。同時，乙個帶虛函式的基類無論有多少個孩子類，並不會降低虛函式效能，而如果類的繼承層次太深，底層類例項的建構函式則需要為類繼承層次的每一層父類初始化vptr，效率降低。

虛函式系統效能測試

void

cross_product( const pt3d &pa, const pt3d &pb )

main()

optimized non-optimized

inline member 0.08 4.70

nonstatic member 4.43 6.13

virtual member

cc 4.76 6.90

ncc 4.63 7.72

cc和ncc是比較的兩個編譯器版本，對於上述計算函式的

測試，虛函式的呼叫開銷主要是3.4虛表查詢，

虛函式呼叫損失了

4% 到

11%的執行時間。相對於io操作，可以忽略。

參考文獻

inside the c++ object model, by stanley b. lippman

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c 虛函式實現與this指標

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