C++如何處理內聯虛函數

2019-11-17 05:44:25

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    當一個函數是內聯和虛函數時，會發生代碼替換或使用虛表調用嗎？為了弄清楚內聯和虛函數，讓我們將它們分開來考慮。通常，一個內聯函數是被展開的。 class CFoo { PRivate: int val; public: int GetVal() { return val; } int SetVal(int v) { return val=v; } }; 這里，假如使用下列代碼： CFoo x; x.SetVal(17); int y = x.GetVal(); 那么編譯器產生的目標代碼將與下面的代碼段一樣： CFoo x; x.val = 17; int y = x.val;     你當然不能這么做，因為val是個私有變量。內聯函數的優點是不用函數調用就能隱藏數據，僅此而已。

    虛函數有多態性，意味著派生的類能實現相同的函數，但功能卻不同。假設 GetVal 被聲明為虛函數，并且你有第二個以不同方法實現的類 CFoo2： class CFoo2 : public CFoo { public: // virtual in base class too! virtual int CFoo2::GetVal() { return someOtherVal; } };     假如 pFoo是一個 CFoo 或 CFoo2 指針，那么，無論 pFoo 指向哪個類 CFoo 或 CFoo2，成員函數 pFoo->GetVal 都能調用成功。

    假如一個函數既是虛擬函數，又是內聯函數，會是什么情況呢？記住，有兩種方式建立內聯函數，

第一種是在函數定義中使用要害字 inline，如： inline CFoo::GetVal() { return val; } 第二種是在類的聲明中編寫函數體，就象前面的 CFoo2::GetVal 一樣。所以假如將虛函數體包含在類的聲明中，如： class CFoo { public: virtual int GetVal() { return val; } };     編譯器便認為這個函數 GetVal 是內聯的，同時也是虛擬的。那么，多態性和內聯特性如何同時工作呢？

    編譯器遵循的第一個規則是無論發生什么事情，多態性必須起作用。假如有一個指向 CFoo 對象的指針，pFoo->GetVal 被保證去調用正確的函數。一般情況下，這就是說函數 GetVal 將被實例化為非內聯函數，并有vtable（虛表）入口指向它們。但這并不意味著這個函數不能被擴展！再看看下面的代碼： CFoo x; x.SetVal(17) int y = x.GetVal()     編譯器知道x是 CFoo,而不是CFoo2，因為這個堆對象是被顯式聲明的。x肯定不會是CFoo2。所以展開 SetVal/GetVal 內聯是安全的。假如要寫更多的復雜代碼： CFoo x; CFoo* pfoo=&x; pfoo->SetVal(17); int y = pfoo->GetVal(); ... CFoo2 x2; pfoo = &x2; pfoo->SetVal(17); //etc. 編譯器知道 pfoo 第一次指向x，第二次指向x2，所以展開虛擬函數也是安全的。

    你還可以編寫更復雜的代碼，其中，pfoo 所指的對象類型總是透明的，但是大多數編譯器不會做任何更多的分析。即使在前面的例子中，某些編譯器將會安全運行，實例化并通過一個虛表來調用。實際上，編譯器總是忽略內聯需要并總是使用虛表。唯一絕對的規則是代碼必須工作；也就是說，虛函數必須有多態行為。
    通常，無論是顯式還是隱式內聯，它只是一個提示而已，并非是必須的，就象寄存器一樣。編譯器完全能拒絕展開一個非虛內聯函數，C++編譯器經常首先會報錯：“內聯中斷-函數太大”。假如內聯函數調用自身，或者你在某處傳遞其地址，編譯器必須產生一個正常（外聯？）函數。內聯函數在DEBUG BUILDS中不被展開，可設置編譯選項來預防。
    要想知道編譯器正在做什么，唯一的方法是看它產生的代碼。對于微軟的編譯器來說，你可以用-FA編譯選項產生匯編清單。你不必知道匯編程序如何做。我鼓勵你完成這個實驗；這對于了解機器實際所做的事情機器有益，同時你可學習許多匯編列表中的內容。

    有關內聯函數的東西比你第一次接觸它時要復雜得多。有許多種情況強迫編譯器產生正常函數：遞歸，獲取函數地址，太大的那些函數和虛函數。但是假如編譯器決定實例化你的內聯函數，就要考慮把函數放在什么地方？它進入哪個模塊？
    通常類在頭文件中聲明，所以假如某個cpp包含foo.h，并且編譯器決定實例化CFoo::GetVal，則在cpp文件中將它實例化成一個靜態函數。假如十個模塊包含foo.h，編譯器產生的虛函數拷貝就有十個。實際上，可以用虛表指向不同類型的GetVal拷貝，從而是相同類型的對象只產生拷貝。一些鏈接器能巧妙地在鏈接時排除冗余，但一般你是不能指望他來保證的。
    我們得出的結論是：最好不要使用內聯虛函數，因為它們幾乎不會被展開，即便你的函數只有一行，你最好還是將它與其它的類函數一起放在模塊（cpp文件）中。當然，開發者經常將簡短的虛函數放在類聲明中-不是因為他們希望這個函數被展開為內聯，而是因為這樣做更方便和可讀性更強。

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