兔子的技術(shù)博客

撰文：Don Clugston

類(lèi)的成員函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)有一些不同。與被顯式聲明的參數(shù)相似，類(lèi)的成員函數(shù)有一個(gè)隱藏的參數(shù)this，它指向一個(gè)類(lèi)的實(shí)例。根據(jù)不同的編譯器，this或者被看作內(nèi)部的一個(gè)正常的參數(shù)，或者會(huì)被特別對(duì)待（比如，在VC++中，this一般通過(guò)ECX寄存器來(lái)傳遞，而普通的成員函數(shù)的參數(shù)被直接壓在堆棧中）。this作為參數(shù)和其他普通的參數(shù)有著本質(zhì)的不同，即使一個(gè)成員函數(shù)受一個(gè)普通函數(shù)的支配，在標(biāo)準(zhǔn)C++中也沒(méi)有理由使這個(gè)成員函數(shù)和其他的普通函數(shù)（ordinary function）的行為相同，因?yàn)闆](méi)有thiscall關(guān)鍵字來(lái)保證它使用像普通參數(shù)一樣正常的調(diào)用規(guī)則。成員函數(shù)是一回事，普通函數(shù)是另外一回事（Member functions are from Mars, ordinary functions are from Venus）。

你可能會(huì)猜測(cè)，一個(gè)成員函數(shù)指針和一個(gè)普通函數(shù)指針一樣，只是一個(gè)代碼指針。然而這種猜測(cè)也許是錯(cuò)誤的。在大多數(shù)編譯器中，一個(gè)成員函數(shù)指針要比一個(gè)普通的函數(shù)指針要大許多。更奇怪的是，在Visual C++中，一個(gè)成員函數(shù)指針可以是4、8、12甚至16個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，這取決于它所相關(guān)的類(lèi)的性質(zhì)，同時(shí)也取決于編譯器使用了怎樣的編譯設(shè)置！成員函數(shù)指針比你想象中的要復(fù)雜得多，但也不總是這樣。

讓我們回到二十世紀(jì)80年代初期，那時(shí)，最古老的C++編譯器CFront剛剛開(kāi)發(fā)完成，那時(shí)C++語(yǔ)言只能實(shí)現(xiàn)單一繼承，而且成員函數(shù)指針剛被引入，它們很簡(jiǎn)單：它們就像普通的函數(shù)指針，只是附加了額外的this作為它們的第一個(gè)參數(shù)，你可以將一個(gè)成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化成一個(gè)普通的函數(shù)指針，并使你能夠?qū)@個(gè)額外添加的參數(shù)產(chǎn)生足夠的重視。

這個(gè)田園般的世界隨著CFront 2.0的問(wèn)世被擊得粉碎。它引入了模版和多重繼承，多重繼承所帶來(lái)的破壞造成了成員函數(shù)指針的改變。問(wèn)題在于，隨著多重繼承，調(diào)用之前你不知道使用哪一個(gè)父類(lèi)的this指針，比如，你有4個(gè)類(lèi)定義如下：

class A {

public:

virtual int Afunc() { return 2; };

};

class B {

public:

int Bfunc() { return 3; };

};

// C是個(gè)單一繼承類(lèi)，它只繼承于A

class C: public A {

public:

int Cfunc() { return 4; };

};

// D 類(lèi)使用了多重繼承

class D: public A, public B {

public:

int Dfunc() { return 5; };

};

假如我們建立了C類(lèi)的一個(gè)成員函數(shù)指針。在這個(gè)例子中，Afunc和Cfunc都是C的成員函數(shù)，所以我們的成員函數(shù)指針可以指向Afunc或者Cfunc。但是Afunc需要一個(gè)this指針指向C::A(后面我叫它Athis)，而Cfunc需要一個(gè)this指針指向C（后面我叫它Cthis）。編譯器的設(shè)計(jì)者們?yōu)榱颂幚磉@種情況使用了一個(gè)把戲（trick）：他們保證了A類(lèi)在物理上保存在C類(lèi)的頭部（即C類(lèi)的起始地址也就是一個(gè)A類(lèi)的一個(gè)實(shí)例的起始地址），這意味著Athis == Cthis。我們只需擔(dān)心一個(gè)this指針就夠了，并且對(duì)于目前這種情況，所有的問(wèn)題處理得還可以。

現(xiàn)在，假如我們建立一個(gè)D類(lèi)的成員函數(shù)指針。在這種情況下，我們的成員函數(shù)指針可以指向Afunc、Bfunc或Dfunc。但是Afunc需要一個(gè)this指針指向D::A，而Bfunc需要一個(gè)this指針指向D::B。這時(shí)，這個(gè)把戲就不管用了，我們不可以把A類(lèi)和B類(lèi)都放在D類(lèi)的頭部。所以，D類(lèi)的一個(gè)成員函數(shù)指針不僅要說(shuō)明要指明調(diào)用的是哪一個(gè)函數(shù)，還要指明使用哪一個(gè)this指針。編譯器知道A類(lèi)占用的空間有多大，所以它可以對(duì)Athis增加一個(gè)delta = sizeof(A)偏移量就可以將Athis指針轉(zhuǎn)換為Bthis指針。

如果你使用虛擬繼承（virtual inheritance），比如虛基類(lèi)，情況會(huì)變得更糟，你可以不必為搞懂這是為什么太傷腦筋。就舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)吧，編譯器使用虛擬函數(shù)表（virtual function table——“vtable”）來(lái)保存每一個(gè)虛函數(shù)、函數(shù)的地址和virtual_delta：將當(dāng)前的this指針轉(zhuǎn)換為實(shí)際函數(shù)需要的this指針時(shí)所要增加的位移量。

綜上所述，為了支持一般形式的成員函數(shù)指針，你需要至少三條信息：函數(shù)的地址，需要增加到this指針上的delta位移量，和一個(gè)虛擬函數(shù)表中的索引。對(duì)于MSVC來(lái)說(shuō)，你需要第四條信息：虛擬函數(shù)表（vtable）的地址。

那么，編譯器是怎樣實(shí)現(xiàn)成員函數(shù)指針的呢？這里是對(duì)不同的32、64和16位的編譯器，對(duì)各種不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型（有int、void*數(shù)據(jù)指針、代碼指針（比如指向靜態(tài)函數(shù)的指針）、在單一（single-）繼承、多重（multiple-）繼承、虛擬（virtual-）繼承和未知類(lèi)型（unknown）的繼承下的類(lèi)的成員函數(shù)指針）使用sizeof運(yùn)算符計(jì)算所獲得的數(shù)據(jù)：

// Borland (缺省設(shè)置) 和Watcom C++.

struct {

FunctionPointer m_func_address;

int m_delta;

int m_vtable_index; //如果不是虛擬繼承，這個(gè)值為0。

};

// Metrowerks CodeWarrior使用了稍微有些不同的方式。

//即使在不允許多重繼承的Embedded C++的模式下，它也使用這樣的結(jié)構(gòu)！

struct {

int m_delta;

int m_vtable_index; // 如果不是虛擬繼承，這個(gè)值為-1。

FunctionPointer m_func_address;

};

// 一個(gè)早期的SunCC版本顯然使用了另一種規(guī)則：

struct {

int m_vtable_index; //如果是一個(gè)非虛擬函數(shù)（non-virtual function），這個(gè)值為0。

FunctionPointer m_func_address; //如果是一個(gè)虛擬函數(shù)（virtual function），這個(gè)值為0。

int m_delta;

};

//下面是微軟的編譯器在未知繼承類(lèi)型的情況下或者使用/vmg選項(xiàng)時(shí)使用的方法：

struct {

FunctionPointer m_func_address;

int m_delta;

int m_vtordisp;

int m_vtable_index; // 如果不是虛擬繼承，這個(gè)值為0

};

// AIX (PowerPC)上IBM的XLC編譯器：

struct {

FunctionPointer m_func_address; // 對(duì)PowerPC來(lái)說(shuō)是64位

int m_vtable_index;

int m_delta;

int m_vtordisp;

};

// GNU g++使用了一個(gè)機(jī)靈的方法來(lái)進(jìn)行空間優(yōu)化

struct {

union {

FunctionPointer m_func_address; // 其值總是4的倍數(shù)

int m_vtable_index_2; // 其值被2除的結(jié)果總是奇數(shù)

};

int m_delta;

};

對(duì)于幾乎所有的編譯器，delta和vindex用來(lái)調(diào)整傳遞給函數(shù)的this指針，比如Borland的計(jì)算方法是：

adjustedthis = *(this + vindex -1) + delta // 如果vindex!=0

adjustedthis = this + delta // 如果vindex=0

（其中，“*”是提取該地址中的數(shù)值，adjustedthis是調(diào)整后的this指針——譯者注）

Borland使用了一個(gè)優(yōu)化方法：如果這個(gè)類(lèi)是單一繼承的，編譯器就會(huì)知道delta和vindex的值是0，所以它就可以跳過(guò)上面的計(jì)算方法。

GNU編譯器使用了一個(gè)奇怪的優(yōu)化方法。可以清楚地看到，對(duì)于多重繼承來(lái)說(shuō)，你必須查看vtable（虛擬函數(shù)表）以獲得voffset（虛擬函數(shù)偏移地址）來(lái)計(jì)算this指針。當(dāng)你做這些事情的時(shí)候，你可能也把函數(shù)指針保存在vtable中。通過(guò)這些工作，編譯器將m_func_address和m_vtable_index合二為一（即放在一個(gè)union中），編譯器區(qū)別這兩個(gè)變量的方法是使函數(shù)指針（m_func_address）的值除以2后結(jié)果為偶數(shù)，而虛擬函數(shù)表索引(m_vtable_index_2)除以2后結(jié)果為奇數(shù)。它們的計(jì)算方法是：

adjustedthis = this + delta

if (funcadr & 1) //如果是奇數(shù)

call (* ( *delta + (vindex+1)/2) + 4)

else //如果是偶數(shù)

call funcadr

（其中， funcadr是函數(shù)地址除以2得出的結(jié)果。——譯者注）

Inter的Itanium編譯器（但不是它們的x86編譯器）對(duì)虛擬繼承（virtual inheritance）的情況也使用了unknown_inheritance結(jié)構(gòu)，所以，一個(gè)虛擬繼承的指針有20字節(jié)大小，而不是想象中的16字節(jié)。

// Itanium，unknown 和 virtual inheritance下的情況.

struct {

FunctionPointer m_func_address; //對(duì)Itanium來(lái)說(shuō)是64位

int m_delta;

int m_vtable_index;

int m_vtordisp;

};

我不能保證Comeau C++使用的是和GNU相同的技術(shù)，也不能保證它們是否使用short代替int使這種虛擬函數(shù)指針的結(jié)構(gòu)的大小縮小至8個(gè)字節(jié)。最近發(fā)布的Comeau C++版本為了兼容微軟的編譯器也使用了微軟的編譯器關(guān)鍵字（我想它也只是忽略這些關(guān)鍵字而不對(duì)它們進(jìn)行實(shí)質(zhì)的相關(guān)處理罷了）。

Digital Mars編譯器（即最初的Zortech C++到后來(lái)的Symantec C++）使用了一種不同的優(yōu)化方法。對(duì)單一繼承類(lèi)來(lái)說(shuō)，一個(gè)成員函數(shù)指針僅僅是這個(gè)函數(shù)的地址。但涉及到更復(fù)雜的繼承時(shí)，這個(gè)成員函數(shù)指針指向一個(gè)形式轉(zhuǎn)換函數(shù)（thunk function），這個(gè)函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)this指針的必要調(diào)整并可用來(lái)調(diào)用實(shí)際的成員函數(shù)。每當(dāng)涉及到多重繼承的時(shí)候，每一個(gè)成員函數(shù)的指針都會(huì)有這樣一個(gè)形式轉(zhuǎn)換函數(shù)，這對(duì)函數(shù)調(diào)用來(lái)說(shuō)是非常有效的。但是這意味著，當(dāng)使用多重繼承的時(shí)候，子類(lèi)的成員函數(shù)指針向基類(lèi)成員函數(shù)指針的轉(zhuǎn)換就會(huì)不起作用了。可見(jiàn)，這種編譯器對(duì)編譯代碼的要求比其他的編譯器要嚴(yán)格得多。

很多嵌入式系統(tǒng)的編譯器不允許多重繼承。這樣，這些編譯器就避免了可能出現(xiàn)的問(wèn)題：一個(gè)成員函數(shù)指針就是一個(gè)帶有隱藏this指針參數(shù)的普通函數(shù)指針。

微軟的編譯器使用了和Borland相似的優(yōu)化方法。它們都使單一繼承的情況具有最優(yōu)的效率。但不像Borland，微軟在缺省條件下成員函數(shù)指針省略了值為0 的指針入口（entry），我稱這種技術(shù)為“smallest for class”方法：對(duì)單一繼承類(lèi)來(lái)說(shuō)，一個(gè)成員函數(shù)指針僅保存了函數(shù)的地址（m_func_address），所以它有4字節(jié)長(zhǎng)。而對(duì)于多重繼承類(lèi)來(lái)說(shuō)，由于用到了偏移地址（m_delta），所以它有8字節(jié)長(zhǎng)。對(duì)虛擬繼承，會(huì)用到12個(gè)字節(jié)。這種方法確實(shí)節(jié)省空間，但也有其它的問(wèn)題。

首先，將一個(gè)成員函數(shù)指針在子類(lèi)和基類(lèi)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化會(huì)改變指針的大小！因此，信息是會(huì)丟失的。其次，當(dāng)一個(gè)成員函數(shù)指針在它的類(lèi)定義之前聲明的時(shí)候，編譯器必須算出要分配給這個(gè)指針多少空間，但是這樣做是不安全的，因?yàn)樵诙x之前編譯器不可能知道這個(gè)類(lèi)的繼承方式。對(duì)Intel C++和早期的微軟編譯器來(lái)說(shuō)，編譯器僅僅對(duì)指針的大小進(jìn)行猜測(cè)，一旦在源文件中猜測(cè)錯(cuò)誤，你的程序會(huì)在運(yùn)行時(shí)莫名其妙地崩潰。所以，微軟的編譯器中增加了一些保留字：__single_inheritance, __multiple_inheritance,和 __virtual_inheritance，并增設(shè)了一些編譯器開(kāi)關(guān)（compiler switch），如/vmg，讓所有的成員函數(shù)指針有相同的大小，而對(duì)原本個(gè)頭小的成員函數(shù)指針的空余部分用0填充。Borland編譯器也增加了一些編譯器開(kāi)關(guān)，但沒(méi)有增加新的關(guān)鍵字。Intel的編譯器可以識(shí)別Microsoft增加的那些關(guān)鍵字，但它在能夠找到類(lèi)的定義的情況下會(huì)對(duì)這些關(guān)鍵字不做處理。

對(duì)于MSVC來(lái)說(shuō)，編譯器需要知道類(lèi)的vtable在哪兒；通常就會(huì)有一個(gè)this指針的偏移量（vtordisp），這個(gè)值對(duì)所有這個(gè)類(lèi)中的成員函數(shù)來(lái)說(shuō)是不變的，但對(duì)每個(gè)類(lèi)來(lái)說(shuō)會(huì)是不同的。對(duì)于MSVC，經(jīng)調(diào)整過(guò)的this指針是在原this指針的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)下面的計(jì)算得出的：

if (vindex=0) //如果不是虛擬繼承（_virtual_inheritance）

adjustedthis = this + delta

else //如果是

adjustedthis = this + delta + vtordisp + *(*(this + vtordisp) + vindex)

在虛擬繼承的情況下，vtordisp的值并不保存在__virtual_inheritance指針中，而是在發(fā)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用的代碼時(shí)，編譯器才將其相應(yīng)的匯編代碼“嵌”進(jìn)去。但是對(duì)于未知類(lèi)型的繼承，編譯器需要盡可能地通過(guò)讀代碼確定它的繼承類(lèi)型，所以，編譯器將虛擬繼承指針（virtual inheritance pointer）分為兩類(lèi)（__virtual_inheritance和__unknown_inheritance）。

理論上，所有的編譯器設(shè)計(jì)者應(yīng)該在MFP（成員函數(shù)指針）的實(shí)現(xiàn)上有所變革和突破。但在實(shí)際上，這是行不通的，因?yàn)檫@使現(xiàn)在編寫(xiě)的大量代碼都需要改變。微軟曾發(fā)表了一篇非常古老的文章（http://msdn.microsoft.com/archive/en-us/dnarvc/html/jangrayhood.asp）來(lái)解釋Visual C++運(yùn)作的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。這篇文章是Jan Gray寫(xiě)的，他曾在1990年設(shè)計(jì)了Microsoft C++的對(duì)象模型。盡管這篇文章發(fā)表于1994年，但這篇文章仍然很重要——這意味著C++的對(duì)象模型在長(zhǎng)達(dá)15年的時(shí)間里（1990年到2004年）沒(méi)有絲毫改變。

現(xiàn)在，我想你對(duì)成員函數(shù)指針的事情已經(jīng)知道得太多了。要點(diǎn)是什么？我已為你建立了一個(gè)規(guī)則。雖然各種編譯器的在這方面的實(shí)現(xiàn)方法有很大的不同，但是也有一些有用的共同點(diǎn)：不管對(duì)哪種形式的類(lèi)，調(diào)用一個(gè)成員函數(shù)指針生成的匯編語(yǔ)言代碼是完全相同的。有一種特例是使用了“smallest for class”技術(shù)的非標(biāo)準(zhǔn)的編譯器，即使是這種情況，差別也是很微小的。這個(gè)事實(shí)可以讓我們繼續(xù)探索怎樣去建立高性能的委托（delegate）。