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C++标准编程:虚函数与内联

简介: 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。
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 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。

  不过,事实并不是这样。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。Stroustrup的cfront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。

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