兔子的技術博客

撰文：Don Clugston

類的成員函數和標準的C函數有一些不同。與被顯式聲明的參數相似，類的成員函數有一個隱藏的參數this，它指向一個類的實例。根據不同的編譯器，this或者被看作內部的一個正常的參數，或者會被特別對待（比如，在VC++中，this一般通過ECX寄存器來傳遞，而普通的成員函數的參數被直接壓在堆棧中）。this作為參數和其他普通的參數有著本質的不同，即使一個成員函數受一個普通函數的支配，在標準C++中也沒有理由使這個成員函數和其他的普通函數（ordinary function）的行為相同，因為沒有thiscall關鍵字來保證它使用像普通參數一樣正常的調用規則。成員函數是一回事，普通函數是另外一回事（Member functions are from Mars, ordinary functions are from Venus）。

你可能會猜測，一個成員函數指針和一個普通函數指針一樣，只是一個代碼指針。然而這種猜測也許是錯誤的。在大多數編譯器中，一個成員函數指針要比一個普通的函數指針要大許多。更奇怪的是，在Visual C++中，一個成員函數指針可以是4、8、12甚至16個字節長，這取決于它所相關的類的性質，同時也取決于編譯器使用了怎樣的編譯設置！成員函數指針比你想象中的要復雜得多，但也不總是這樣。

讓我們回到二十世紀80年代初期，那時，最古老的C++編譯器CFront剛剛開發完成，那時C++語言只能實現單一繼承，而且成員函數指針剛被引入，它們很簡單：它們就像普通的函數指針，只是附加了額外的this作為它們的第一個參數，你可以將一個成員函數指針轉化成一個普通的函數指針，并使你能夠對這個額外添加的參數產生足夠的重視。

這個田園般的世界隨著CFront 2.0的問世被擊得粉碎。它引入了模版和多重繼承，多重繼承所帶來的破壞造成了成員函數指針的改變。問題在于，隨著多重繼承，調用之前你不知道使用哪一個父類的this指針，比如，你有4個類定義如下：

class A {

public:

virtual int Afunc() { return 2; };

};

class B {

public:

int Bfunc() { return 3; };

};

// C是個單一繼承類，它只繼承于A

class C: public A {

public:

int Cfunc() { return 4; };

};

// D 類使用了多重繼承

class D: public A, public B {

public:

int Dfunc() { return 5; };

};

假如我們建立了C類的一個成員函數指針。在這個例子中，Afunc和Cfunc都是C的成員函數，所以我們的成員函數指針可以指向Afunc或者Cfunc。但是Afunc需要一個this指針指向C::A(后面我叫它Athis)，而Cfunc需要一個this指針指向C（后面我叫它Cthis）。編譯器的設計者們為了處理這種情況使用了一個把戲（trick）：他們保證了A類在物理上保存在C類的頭部（即C類的起始地址也就是一個A類的一個實例的起始地址），這意味著Athis == Cthis。我們只需擔心一個this指針就夠了，并且對于目前這種情況，所有的問題處理得還可以。

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

如果你使用虛擬繼承（virtual inheritance），比如虛基類，情況會變得更糟，你可以不必為搞懂這是為什么太傷腦筋。就舉個例子來說吧，編譯器使用虛擬函數表（virtual function table——“vtable”）來保存每一個虛函數、函數的地址和virtual_delta：將當前的this指針轉換為實際函數需要的this指針時所要增加的位移量。

綜上所述，為了支持一般形式的成員函數指針，你需要至少三條信息：函數的地址，需要增加到this指針上的delta位移量，和一個虛擬函數表中的索引。對于MSVC來說，你需要第四條信息：虛擬函數表（vtable）的地址。

那么，編譯器是怎樣實現成員函數指針的呢？這里是對不同的32、64和16位的編譯器，對各種不同的數據類型（有int、void*數據指針、代碼指針（比如指向靜態函數的指針）、在單一（single-）繼承、多重（multiple-）繼承、虛擬（virtual-）繼承和未知類型（unknown）的繼承下的類的成員函數指針）使用sizeof運算符計算所獲得的數據：

// Borland (缺省設置) 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，它也使用這樣的結構！

struct {

int m_delta;

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

FunctionPointer m_func_address;

};

// 一個早期的SunCC版本顯然使用了另一種規則：

struct {

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

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

int m_delta;

};

//下面是微軟的編譯器在未知繼承類型的情況下或者使用/vmg選項時使用的方法：

struct {

FunctionPointer m_func_address;

int m_delta;

int m_vtordisp;

int m_vtable_index; // 如果不是虛擬繼承，這個值為0

};

// AIX (PowerPC)上IBM的XLC編譯器：

struct {

FunctionPointer m_func_address; // 對PowerPC來說是64位

int m_vtable_index;

int m_delta;

int m_vtordisp;

};

// GNU g++使用了一個機靈的方法來進行空間優化

struct {

union {

FunctionPointer m_func_address; // 其值總是4的倍數

int m_vtable_index_2; // 其值被2除的結果總是奇數

};

int m_delta;

};

對于幾乎所有的編譯器，delta和vindex用來調整傳遞給函數的this指針，比如Borland的計算方法是：

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值，adjustedthis是調整后的this指針——譯者注）

Borland使用了一個優化方法：如果這個類是單一繼承的，編譯器就會知道delta和vindex的值是0，所以它就可以跳過上面的計算方法。

GNU編譯器使用了一個奇怪的優化方法。可以清楚地看到，對于多重繼承來說，你必須查看vtable（虛擬函數表）以獲得voffset（虛擬函數偏移地址）來計算this指針。當你做這些事情的時候，你可能也把函數指針保存在vtable中。通過這些工作，編譯器將m_func_address和m_vtable_index合二為一（即放在一個union中），編譯器區別這兩個變量的方法是使函數指針（m_func_address）的值除以2后結果為偶數，而虛擬函數表索引(m_vtable_index_2)除以2后結果為奇數。它們的計算方法是：

adjustedthis = this + delta

if (funcadr & 1) //如果是奇數

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

else //如果是偶數

call funcadr

（其中， funcadr是函數地址除以2得出的結果。——譯者注）

Inter的Itanium編譯器（但不是它們的x86編譯器）對虛擬繼承（virtual inheritance）的情況也使用了unknown_inheritance結構，所以，一個虛擬繼承的指針有20字節大小，而不是想象中的16字節。

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

struct {

FunctionPointer m_func_address; //對Itanium來說是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，也不能保證它們是否使用short代替int使這種虛擬函數指針的結構的大小縮小至8個字節。最近發布的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鍵字（我想它也只是忽略這些關鍵字而不對它們進行實質的相關處理罷了）。

Digital Mars編譯器（即最初的Zortech C++到后來的Symantec C++）使用了一種不同的優化方法。對單一繼承類來說，一個成員函數指針僅僅是這個函數的地址。但涉及到更復雜的繼承時，這個成員函數指針指向一個形式轉換函數（thunk function），這個函數可以實現對this指針的必要調整并可用來調用實際的成員函數。每當涉及到多重繼承的時候，每一個成員函數的指針都會有這樣一個形式轉換函數，這對函數調用來說是非常有效的。但是這意味著，當使用多重繼承的時候，子類的成員函數指針向基類成員函數指針的轉換就會不起作用了。可見，這種編譯器對編譯代碼的要求比其他的編譯器要嚴格得多。

很多嵌入式系統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的問題：一個成員函數指針就是一個帶有隱藏this指針參數的普通函數指針。

微軟的編譯器使用了和Borland相似的優化方法。它們都使單一繼承的情況具有最優的效率。但不像Borland，微軟在缺省條件下成員函數指針省略了值為0 的指針入口（entry），我稱這種技術為“smallest for class”方法：對單一繼承類來說，一個成員函數指針僅保存了函數的地址（m_func_address），所以它有4字節長。而對于多重繼承類來說，由于用到了偏移地址（m_delta），所以它有8字節長。對虛擬繼承，會用到12個字節。這種方法確實節省空間，但也有其它的問題。

首先，將一個成員函數指針在子類和基類之間進行轉化會改變指針的大小！因此，信息是會丟失的。其次，當一個成員函數指針在它的類定義之前聲明的時候，編譯器必須算出要分配給這個指針多少空間，但是這樣做是不安全的，因為在定義之前編譯器不可能知道這個類的繼承方式。對Intel C++和早期的微軟編譯器來說，編譯器僅僅對指針的大小進行猜測，一旦在源文件中猜測錯誤，你的程序會在運行時莫名其妙地崩潰。所以，微軟的編譯器中增加了一些保留字：__single_inheritance, __multiple_inheritance,和 __virtual_inheritance，并增設了一些編譯器開關（compiler switch），如/vmg，讓所有的成員函數指針有相同的大小，而對原本個頭小的成員函數指針的空余部分用0填充。Borland編譯器也增加了一些編譯器開關，但沒有增加新的關鍵字。Intel的編譯器可以識別Microsoft增加的那些關鍵字，但它在能夠找到類的定義的情況下會對這些關鍵字不做處理。

對于MSVC來說，編譯器需要知道類的vtable在哪兒；通常就會有一個this指針的偏移量（vtordisp），這個值對所有這個類中的成員函數來說是不變的，但對每個類來說會是不同的。對于MSVC，經調整過的this指針是在原this指針的基礎上經過下面的計算得出的：

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，而是在發現函數調用的代碼時，編譯器才將其相應的匯編代碼“嵌”進去。但是對于未知類型的繼承，編譯器需要盡可能地通過讀代碼確定它的繼承類型，所以，編譯器將虛擬繼承指針（virtual inheritance pointer）分為兩類（__virtual_inheritance和__unknown_inheritance）。

理論上，所有的編譯器設計者應該在MFP（成員函數指針）的實現上有所變革和突破。但在實際上，這是行不通的，因為這使現在編寫的大量代碼都需要改變。微軟曾發表了一篇非常古老的文章（http://msdn.microsoft.com/archive/en-us/dnarvc/html/jangrayhood.asp）來解釋Visual C++運作的實現細節。這篇文章是Jan Gray寫的，他曾在1990年設計了Microsoft C++的對象模型。盡管這篇文章發表于1994年，但這篇文章仍然很重要——這意味著C++的對象模型在長達15年的時間里（1990年到2004年）沒有絲毫改變。

現在，我想你對成員函數指針的事情已經知道得太多了。要點是什么？我已為你建立了一個規則。雖然各種編譯器的在這方面的實現方法有很大的不同，但是也有一些有用的共同點：不管對哪種形式的類，調用一個成員函數指針生成的匯編語言代碼是完全相同的。有一種特例是使用了“smallest for class”技術的非標準的編譯器，即使是這種情況，差別也是很微小的。這個事實可以讓我們繼續探索怎樣去建立高性能的委托（delegate）。