【C/C++ 虚函数以及替代方案】C++ 虚函数的使用开销以及替代方案（一）-阿里云开发者社区

1. 虚函数的基本概念与原理 (Basic Concepts and Principles of Virtual Functions)

1.1 虚函数的定义与作用 (Definition and Role of Virtual Functions)

虚函数是C++中一种特殊的成员函数，它在基类中被声明，并在派生类中被重写。虚函数的主要作用是实现多态性，即同一操作作用于不同的对象，可以有不同的解释，产生不同的执行结果。

让我们用一个简单的比喻来理解这个概念。假设你是一位音乐指挥，你面前有各种各样的乐器，比如小提琴、大提琴、长笛等。你挥舞指挥棒的动作（操作）是一样的，但是不同的乐器（对象）会发出不同的声音（执行结果）。这就是多态性的一个形象的例子。

在C++中，虚函数的声明如下：

class Base {
public:
    virtual void func() {
        // ... 
    }
};

在这里，virtual关键字告诉编译器func()函数是一个虚函数。在派生类中，我们可以重写这个函数：

class Derived : public Base {
public:
    void func() override {
        // ...
    }
};

在这里，override关键字是C++11引入的，用于明确表示我们在重写一个虚函数。这可以帮助我们避免一些错误，比如函数签名不匹配等。

总的来说，虚函数是实现C++多态性的关键工具，它允许我们在基类的接口中定义行为，然后在派生类中具体实现这些行为。这使得我们的代码更加灵活和可扩展。

1.2 虚函数的底层实现 (Underlying Implementation of Virtual Functions)

虚函数的实现主要依赖于一种叫做虚函数表（vtable）的机制。每一个包含虚函数的类（无论是基类还是派生类）都会有一个对应的虚函数表，这个表中存储了该类的所有虚函数的地址。

让我们用一个生活中的例子来理解这个概念。假设你在一个大商场里，你想找到各个店铺的位置。这时，你可以查看商场的指南图，这个指南图上列出了各个店铺的位置信息。在这个例子中，指南图就像是虚函数表，店铺的位置信息就像是虚函数的地址。

在C++中，当我们创建一个包含虚函数的类的对象时，编译器会在对象的内存布局中添加一个指向虚函数表的指针。当我们通过基类指针调用虚函数时，编译器会根据这个指针找到对应的虚函数表，然后在表中查找并调用相应的虚函数。

以下是一个简单的示例：

class Base {
public:
    virtual void func() {
        // ...
    }
};
class Derived : public Base {
public:
    void func() override {
        // ...
    }
};
int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->func();  // 调用Derived的func()
    delete ptr;
    return 0;
}

在这个例子中，ptr是一个基类指针，但是它指向的是一个派生类对象。当我们通过ptr调用func()函数时，编译器会根据ptr的虚函数表指针找到Derived的虚函数表，然后在表中查找并调用Derived的func()函数。

总的来说，虚函数表是实现虚函数和C++多态性的关键机制，它使得我们可以在运行时动态地决定调用哪个函数。

1.3 虚函数表的构造与查找 (Construction and Lookup of Virtual Function Tables)

虚函数表是一个存储类的虚函数地址的表格，每一个包含虚函数的类都有一个对应的虚函数表。当一个类被继承时，派生类会复制并扩展基类的虚函数表，如果派生类重写了基类的虚函数，那么在派生类的虚函数表中，这个虚函数的地址会被更新为派生类的虚函数的地址。

以下是一个虚函数表的构造和查找的示意图：

在这个图中，我们可以看到：

基类Base Class有一个虚函数表Virtual Function Table，这个表中包含了基类的所有虚函数的地址。
派生类Derived Class继承了基类，并且有自己的虚函数表。这个表中包含了从基类继承的虚函数的地址，以及派生类自己新添加的虚函数的地址。
如果派生类重写了基类的虚函数，那么在派生类的虚函数表中，这个虚函数的地址会被更新为派生类的虚函数的地址。
当我们创建一个派生类的对象时，这个对象会有一个指向派生类的虚函数表的指针。

总的来说，虚函数表的构造和查找是实现虚函数和C++多态性的关键过程，它使得我们可以在运行时动态地决定调用哪个函数。

2. 虚函数的正确使用场景 (Correct Usage Scenarios of Virtual Functions)

2.1 多态的实现 (Implementation of Polymorphism)

在C++中，多态是通过虚函数来实现的。多态是面向对象编程的三大特性之一，它允许我们通过基类指针来操作派生类对象，从而实现在运行时动态决定调用哪个类的成员函数。

让我们通过一个简单的例子来理解这个概念：

class Animal {
public:
    virtual void makeSound() {
        cout << "The animal makes a sound \n";
    }
};
class Dog : public Animal {
public:
    void makeSound() override {
        cout << "The dog barks \n";
    }
};
class Cat : public Animal {
public:
    void makeSound() override {
        cout << "The cat meows \n";
    }
};

在这个例子中，我们定义了一个基类Animal和两个派生类Dog和Cat。基类中有一个虚函数makeSound()，在派生类中被重写。现在，我们可以创建一个Animal指针，并让它指向Dog或Cat对象，然后调用makeSound()函数：

Animal* animal1 = new Dog();
Animal* animal2 = new Cat();
animal1->makeSound();  // Outputs: "The dog barks"
animal2->makeSound();  // Outputs: "The cat meows"

这就是多态的魔力。虽然animal1和animal2都是Animal指针，但它们可以调用正确的函数版本。这是因为makeSound()函数是虚函数，编译器在运行时动态决定调用哪个版本。

2.2 动态绑定的应用 (Application of Dynamic Binding)

动态绑定是C++中实现多态的重要机制。它允许在运行时根据对象的实际类型来决定调用哪个成员函数。这种机制在基类指针或引用指向派生类对象时尤其有用。

让我们通过一个例子来理解动态绑定的工作原理：

class Base {
public:
    virtual void print() {
        cout << "Base class print function \n";
    }
};
class Derived : public Base {
public:
    void print() override {
        cout << "Derived class print function \n";
    }
};

在这个例子中，我们定义了一个基类Base和一个派生类Derived。基类中有一个虚函数print()，在派生类中被重写。现在，我们可以创建一个Base指针，并让它指向Derived对象，然后调用print()函数：

Base* basePtr = new Derived();
basePtr->print();  // Outputs: "Derived class print function"

尽管basePtr是一个Base类型的指针，但是当我们通过它调用print()函数时，实际上调用的是Derived类的版本。这就是动态绑定的作用。

动态绑定的一个重要应用是在设计和实现框架或库时。在这些情况下，我们通常会定义一些基类和虚函数，然后让用户提供派生类来重写这些虚函数，从而实现特定的功能。这种设计模式被称为模板方法模式。

2.3 抽象类与接口的设计 (Design of Abstract Classes and Interfaces)

在C++中，抽象类是包含至少一个纯虚函数的类。纯虚函数是在基类中声明但不定义的虚函数，派生类必须重写这些函数。抽象类不能实例化，只能作为基类来派生新的类。

抽象类的一个主要用途是定义接口。接口是一种特殊的抽象类，它的所有函数都是纯虚函数。接口定义了一组函数原型，派生类必须实现这些函数。

让我们通过一个例子来理解抽象类和接口的设计：

class IShape {  // IShape is an interface
public:
    virtual double getArea() const = 0;  // Pure virtual function
    virtual double getPerimeter() const = 0;  // Pure virtual function
};
class Circle : public IShape {  // Circle is a concrete class
public:
    Circle(double radius) : radius_(radius) {}
    double getArea() const override {
        return 3.14159 * radius_ * radius_;
    }
    double getPerimeter() const override {
        return 2 * 3.14159 * radius_;
    }
private:
    double radius_;
};

在这个例子中，IShape是一个接口，它定义了两个纯虚函数getArea()和getPerimeter()。Circle是一个派生类，它实现了IShape接口。

通过定义接口，我们可以确保所有实现该接口的类都提供了接口中定义的函数。这使得我们可以通过接口来操作不同的对象，而不需要知道它们的具体类型。

3. 虚函数的使用限制与替代方案 (Limitations of Virtual Functions and Alternative Solutions)

3.1 虚函数的性能开销 (Performance Overhead of Virtual Functions)

虚函数是一种强大的工具，它允许我们在运行时动态地改变对象的行为。然而，这种灵活性并不是没有代价的。虚函数的使用会带来一定的性能开销，这主要体现在以下两个方面：

时间开销：每次调用虚函数时，都需要通过虚函数表进行查找，这会比直接函数调用多出一些时间开销。虽然这种开销在大多数情况下并不显著，但在性能敏感的代码中，这可能会成为一个问题。
空间开销：每个包含虚函数的对象都需要额外的空间来存储虚函数表的指针。此外，虚函数表本身也需要占用一定的内存空间。

让我们用一个表格来更直观地展示这些开销：

类型	非虚函数	虚函数
时间开销	低	中
空间开销	无	有

那么，如何在需要动态行为的同时避免虚函数的性能开销呢？这就需要我们寻找一些替代方案。在C++中，我们可以通过模板和泛型编程来实现类似的功能，而不需要付出虚函数的性能代价。在下一节中，我们将详细介绍这些替代方案。

3.2 非多态类的设计 (Design of Non-Polymorphic Classes)

在C++中，虚函数主要用于实现多态性。然而，并非所有的类都需要多态性。对于那些不需要多态性的类，我们应避免使用虚函数。

让我们以一个具体的例子来说明。假设我们正在设计一个表示二维向量的类Vector2D。这个类的主要功能是进行向量的各种运算，如加法、减法、点积等。这些运算的行为是固定的，不需要在运行时进行改变。因此，我们没有理由将这些函数声明为虚函数。

下面是Vector2D类的一个可能的实现：

class Vector2D {
public:
    Vector2D(double x = 0.0, double y = 0.0) : x_(x), y_(y) {}
    Vector2D operator+(const Vector2D& other) const {
        return Vector2D(x_ + other.x_, y_ + other.y_);
    }
    Vector2D operator-(const Vector2D& other) const {
        return Vector2D(x_ - other.x_, y_ - other.y_);
    }
    double dot(const Vector2D& other) const {
        return x_ * other.x_ + y_ * other.y_;
    }
private:
    double x_, y_;
};

在这个例子中，所有的成员函数都是非虚函数。这样，我们可以在保持代码简洁的同时，避免了虚函数的性能开销。

然而，如果在某些情况下，我们确实需要在运行时改变对象的行为，但又不想付出虚函数的性能代价，我们应该怎么办呢？在下一节中，我们将介绍一种可能的解决方案：模板与泛型编程。

3.3 模板与泛型编程的应用 (Application of Templates and Generic Programming)

模板和泛型编程是C++中非常强大的工具，它们可以让我们在编译时进行类型和行为的定制，从而避免虚函数的运行时开销。

让我们以一个简单的例子来说明。假设我们正在设计一个容器类Container，这个类需要支持各种类型的元素，以及各种不同的排序算法。我们可以通过模板来实现这个功能：

template <typename T, typename Sorter>
class Container {
public:
    void add(const T& element) {
        elements_.push_back(element);
    }
    void sort() {
        Sorter sorter;
        sorter.sort(elements_);
    }
private:
    std::vector<T> elements_;
};

在这个例子中，T是元素的类型，Sorter是排序算法。我们可以在编译时为这两个参数提供具体的值，从而生成不同的容器类。例如，如果我们想要一个存储整数并使用快速排序的容器，我们可以这样做：

Container<int, QuickSorter> container;

这种方式的优点是，所有的类型和行为都是在编译时确定的，因此没有运行时开销。同时，我们仍然可以享受到类似多态的灵活性。

然而，这种方式也有一些缺点。首先，模板会导致代码膨胀，因为每一种参数组合都需要生成一份独立的代码。其次，模板的错误信息通常很难理解，这可能会给调试带来困难。因此，我们在使用模板时需要权衡其优缺点。

3.4 函数指针和std::function的应用 (Application of Function Pointers and std::function)

函数指针和std::function是C++中另一种实现行为动态化的方式。它们可以用来存储和调用函数，从而实现在运行时改变对象的行为。

让我们以一个简单的例子来说明。假设我们正在设计一个类Calculator，这个类需要支持各种不同的二元运算。我们可以通过函数指针或std::function来实现这个功能：

class Calculator {
public:
    using BinaryOperation = std::function<double(double, double)>;
    Calculator(BinaryOperation operation) : operation_(operation) {}
    double calculate(double a, double b) const {
        return operation_(a, b);
    }
private:
    BinaryOperation operation_;
};

在这个例子中，BinaryOperation是一个函数类型，表示接受两个double参数并返回一个double的函数。我们可以在运行时为Calculator提供不同的函数，从而改变它的行为。例如，如果我们想要一个执行加法的计算器，我们可以这样做：

Calculator adder([](double a, double b) { return a + b; });

这种方式的优点是，我们可以在运行时改变对象的行为，而不需要使用虚函数。同时，我们仍然可以享受到类似多态的灵活性。

然而，这种方式也有一些缺点。首先，函数指针和std::function的使用可能会比虚函数更复杂，特别是对于初学者来说。其次，虽然函数指针和std::function的开销通常比虚函数小，但它们仍然有一些运行时开销。因此，我们在使用函数指针和std::function时需要权衡其优缺点。

3.5 策略模式的应用 (Application of the Strategy Pattern)

策略模式是一种行为设计模式，它允许在运行时更改对象的行为。在C++中，我们可以通过使用接口（抽象基类）和组合来实现策略模式，而不需要使用虚函数。

让我们以一个具体的例子来说明。假设我们正在设计一个类Renderer，这个类需要支持各种不同的渲染策略。我们可以通过策略模式来实现这个功能：

class RenderStrategy {
public:
    virtual ~RenderStrategy() = default;
    virtual void render() const = 0;
};
class Renderer {
public:
    Renderer(std::unique_ptr<RenderStrategy> strategy) : strategy_(std::move(strategy)) {}
    void render() const {
        strategy_->render();
    }
private:
    std::unique_ptr<RenderStrategy> strategy_;
};

在这个例子中，RenderStrategy是一个接口，定义了所有渲染策略必须实现的函数。我们可以为Renderer提供不同的策略，从而改变它的行为。例如，如果我们想要一个使用OpenGL的渲染器，我们可以这样做：

class OpenGLStrategy : public RenderStrategy {
public:
    void render() const override {
        // OpenGL rendering code...
    }
};
Renderer renderer(std::make_unique<OpenGLStrategy>());

这种方式的优点是，我们可以在运行时改变对象的行为，而且比使用虚函数更灵活，因为我们可以在运行时更改策略。

然而，这种方式也有一些缺点。首先，策略模式需要更多的类和对象，这可能会使代码变得复杂。其次，虽然策略模式避免了直接使用虚函数，但它仍然需要通过接口（抽象基类）的虚函数来实现动态行为，因此仍然有一些运行时开销。因此，我们在使用策略模式时需要权衡其优缺点。

3.6 奇异递归模板模式（Curiously Recurring Template Pattern，CRTP）的应用

奇异递归模板模式（CRTP）是一种使用模板和继承来实现编译时多态的技巧。在CRTP中，派生类作为基类模板的参数，这样基类就可以调用派生类的函数，就好像它们是虚函数一样。

让我们以一个具体的例子来说明。假设我们正在设计一个类Printer，这个类需要支持各种不同的打印策略。我们可以通过CRTP来实现这个功能：

template <typename Derived>
class Printer {
public:
    void print() const {
        static_cast<const Derived*>(this)->printImpl();
    }
};
class ConsolePrinter : public Printer<ConsolePrinter> {
public:
    void printImpl() const {
        // Console printing code...
    }
};

在这个例子中，Printer是一个模板基类，ConsolePrinter是一个派生类。我们可以通过Printer的print函数来调用派生类的printImpl函数，从而改变打印的行为。

这种方式的优点是，所有的类型和行为都是在编译时确定的，因此没有运行时开销。同时，我们仍然可以享受到类似多态的灵活性。

然而，这种方式也有一些缺点。首先，CRTP的代码可能会比直接使用虚函数更复杂，特别是对于初学者来说。其次，CRTP需要派生类作为基类模板的参数，这可能会限制派生类的设计。因此，我们在使用CRTP时需要权衡其优缺点。

【C/C++ 虚函数以及替代方案】C++ 虚函数的使用开销以及替代方案（二）https://developer.aliyun.com/article/1464358

【C/C++ 虚函数以及替代方案】C++ 虚函数的使用开销以及替代方案（一）

1. 虚函数的基本概念与原理 (Basic Concepts and Principles of Virtual Functions)

1.1 虚函数的定义与作用 (Definition and Role of Virtual Functions)

1.2 虚函数的底层实现 (Underlying Implementation of Virtual Functions)

1.3 虚函数表的构造与查找 (Construction and Lookup of Virtual Function Tables)

2. 虚函数的正确使用场景 (Correct Usage Scenarios of Virtual Functions)

2.1 多态的实现 (Implementation of Polymorphism)

2.2 动态绑定的应用 (Application of Dynamic Binding)

2.3 抽象类与接口的设计 (Design of Abstract Classes and Interfaces)

3. 虚函数的使用限制与替代方案 (Limitations of Virtual Functions and Alternative Solutions)

3.1 虚函数的性能开销 (Performance Overhead of Virtual Functions)

3.2 非多态类的设计 (Design of Non-Polymorphic Classes)

3.3 模板与泛型编程的应用 (Application of Templates and Generic Programming)

3.4 函数指针和std::function的应用 (Application of Function Pointers and std::function)

3.5 策略模式的应用 (Application of the Strategy Pattern)

3.6 奇异递归模板模式（Curiously Recurring Template Pattern，CRTP）的应用

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【C/C++ 虚函数以及替代方案】C++ 虚函数的使用开销以及替代方案（一）

1. 虚函数的基本概念与原理 (Basic Concepts and Principles of Virtual Functions)

1.1 虚函数的定义与作用 (Definition and Role of Virtual Functions)

1.2 虚函数的底层实现 (Underlying Implementation of Virtual Functions)

1.3 虚函数表的构造与查找 (Construction and Lookup of Virtual Function Tables)

2. 虚函数的正确使用场景 (Correct Usage Scenarios of Virtual Functions)

2.1 多态的实现 (Implementation of Polymorphism)

2.2 动态绑定的应用 (Application of Dynamic Binding)

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3.1 虚函数的性能开销 (Performance Overhead of Virtual Functions)

3.2 非多态类的设计 (Design of Non-Polymorphic Classes)

3.3 模板与泛型编程的应用 (Application of Templates and Generic Programming)

3.4 函数指针和std::function的应用 (Application of Function Pointers and std::function)

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3.6 奇异递归模板模式（Curiously Recurring Template Pattern，CRTP）的应用

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