一、多態(tài)

C++多態(tài)通過繼承和動(dòng)態(tài)綁定實(shí)現(xiàn)。繼承是一種代碼或者功能的傳承共享，從語言的角度它是外在的、形式上的，極易理解。而動(dòng)態(tài)綁定則是從語言的底層實(shí)現(xiàn)保證了多態(tài)的發(fā)生——在運(yùn)行期根據(jù)基類指針或者引用指向的真實(shí)對象類型確定調(diào)用的虛函數(shù)功能！通過帶有虛函數(shù)的單一繼承我們可以清楚的理解繼承的概念、對象模型的分布機(jī)制以及動(dòng)態(tài)綁定的發(fā)生，即可以完全徹底地理解多態(tài)的思想。為了支持多態(tài)，語言實(shí)現(xiàn)必須在時(shí)間和空間上付出額外的代價(jià)（畢竟沒有免費(fèi)的晚餐，更何況編譯器是毫無感情）：

1、類實(shí)現(xiàn)時(shí)增加了virtual table，用來存放虛函數(shù)地址；
2、類對象中增加了指向虛函數(shù)表的指針vptr，以提供runtime的鏈接；
3、在類繼承層次的構(gòu)造函數(shù)中重復(fù)設(shè)定vptr的初值，以期待指針指向?qū)?yīng)類的virtual table；
4、在類繼承層次的析構(gòu)函數(shù)中重復(fù)還原vptr的初值；
5、多態(tài)發(fā)生時(shí)（base class指針調(diào)用虛函數(shù)）需要通過vptr和virtual table表調(diào)用對應(yīng)函數(shù)實(shí)體，增加了 一層間接性。
第1、2兩點(diǎn)是多態(tài)帶來的空間代價(jià)，后面三點(diǎn)則是時(shí)間效率上的代價(jià)。

二、多重繼承和虛擬繼承

多重繼承具有多個(gè)base class，有別于單一繼承（提供了一種“自然多態(tài)”形式）。單一繼承中，基類和派生類具有相同的內(nèi)存地址，它們之間的轉(zhuǎn)換十分自然不需要編譯器的介入。但如果基類中沒有虛函數(shù)而派生類中有，單一繼承的自然多態(tài)被打破。這種情況下，派生類轉(zhuǎn)換為基類需要編譯器的介入，用以調(diào)整this指針地址。多重繼承的對象模型較單一繼承復(fù)雜，根源在于derived class objects和其第二或后繼的base class objects之間的“非自然”關(guān)系 ，這一點(diǎn)可以從下面的對象模型中看到。派生類和基類之間的非自然多態(tài)引起了一個(gè)嚴(yán)重的問題（在虛擬繼承中也存在）：derived class和第二或后繼base class之間的轉(zhuǎn)換（不論是對象間的直接轉(zhuǎn)換或者經(jīng)由其所支持的virtual function機(jī)制做轉(zhuǎn)換）需要調(diào)整this指針的地址，以使其指向完整正確的class object 。
虛擬繼承是一種機(jī)制，類通過虛繼承指出它所希望共享虛基類的狀態(tài)，虛基類在派生層次中只有一份實(shí)體。相比多重繼承，虛擬繼承的難點(diǎn)在于既要識別出相同的對象部分又要維持基類和派生類之間的多態(tài)關(guān)系 。通常情況下，實(shí)現(xiàn)虛擬繼承時(shí)編譯器將對象分割為一個(gè)不變局部和一個(gè)共享局部 。不變局部中的數(shù)據(jù)，不管后繼如何衍化，總是擁有固定的offset，所以這一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以被直接存取。至于共享局部，所表現(xiàn)的就是virtual base class subobject。這一部分的數(shù)據(jù)，其位置會(huì)因?yàn)槊看蔚呐缮僮鞫凶兓运鼈冎荒鼙婚g接存取 。各家編譯器實(shí)現(xiàn)技術(shù)之間的差異在于間接存取方法不同。一般的策略就是先安排好派生類的不變部分，然后建立共享部分。虛擬繼承base class和derived class之間非自然的多態(tài)關(guān)系，它們之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)需要對this指針地址進(jìn)行調(diào)整。由于對virtual base class的支持，虛擬繼承帶來了額外的負(fù)擔(dān)和模型復(fù)雜性。

三、多重繼承和虛擬繼承對象模型

造成多重繼承和虛擬繼承較普通單一繼承復(fù)雜、效率低的本質(zhì)在于 對象模型內(nèi)存分布的差異， 這一點(diǎn)從第二部分分析也可以看到。下面示例對比列出了普通單一繼承、多重繼承以及虛擬繼承的對象模型。需要說明的是：C++標(biāo)準(zhǔn)中并沒有強(qiáng)制規(guī)定base class members和derived class members之間的次序關(guān)系，理論上可以自由安排之，但實(shí)際上大多數(shù)編譯器都會(huì)基類成員放在前面，但虛擬繼承除外。下面也是這種策略，同時(shí)把vptr作為類的第一個(gè)成員。

基類Base1、Base2以及派生類DerivedSingle、DerivedMulti類定義如下：

class Base1
{
public:
  Base1(void);
  ~Base1(void);
  virtual Base1* clone()const;
protected:
  float data_Base1;
};

class Base2
{
public:
  Base2(void);
  ~Base2(void);
  virtual void mumble();
  virtual Base2* clone()const;
protected:
  float data_Base2;
};

class DerivedSingle: public Base1
{
public:
  DerivedSingle(void);
  virtual ~DerivedSingle(void);
  virtual DerivedSingle* clone() const;
protectd:
  float data_DerivedSingle;
};

class DerivedMulti :public Base1, public Base2
{
public:
  DerivedMulti(void);
  virtual ~DerivedMulti(void);
  virtual DerivedMulti* clone() const;
protected:
  float data_DerivedMulti;
};

對象模型如下，虛擬繼承和單一繼承類結(jié)構(gòu)相同，只是繼承改成了虛擬繼承。

單一繼承：

多重繼承：

虛擬繼承：

為了保證memberwise復(fù)制的正確性（否則基類子對象復(fù)制給派生類時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤），C++中保證“基類子對象在派生類中的原樣性 ”。

單一繼承的對象模型呈現(xiàn)了一種“自然多態(tài)”的形式，基類和派生類之間的轉(zhuǎn)換十分自然簡單。然而多重繼承有多個(gè)基類，對象有多個(gè)vptr指針，對于第二個(gè)或后繼基類和派生類之間的轉(zhuǎn)換需要地址調(diào)整，以指向完整的基類子對象。

虛擬繼承中，為了記住和共享虛擬基類，需要在類中添加指向該基類的指針。從上面的虛擬繼承對象模型中可以看到，雖然和單一繼承有相同的類層次結(jié)構(gòu)，但虛擬繼承打破了單一繼承的“自然多態(tài)”形式，基類和派生類之間的轉(zhuǎn)換需要調(diào)整this指針的地址。如果是虛擬多重繼承，則虛擬基類/后繼基類和派生類之間的轉(zhuǎn)換需要this指針地址調(diào)整 。

一般規(guī)則，多重繼承經(jīng)由指向“第二個(gè)或者后繼base class”的指針（引用）來調(diào)用derived class virtual function，該操作所連帶的“必要的this指針調(diào)整”操作，必須在執(zhí)行期完成，也就是說offset的大小、以及吧offset加到this指針上頭的那一小段程序代碼，必須有編譯器在某個(gè)地方插入。為了實(shí)現(xiàn)this指針調(diào)整引入thunk技術(shù)，所謂thunk是一小段assembly代碼，用來以適當(dāng)?shù)膐ffset值調(diào)整this指針，并跳到virtual函數(shù)去。Thunk技術(shù)允許virtual table slot繼續(xù)內(nèi)含一個(gè)簡單的指針，因此多重繼承不需要額外任何空間上的額外負(fù)擔(dān)。Slots中的地址可以直接指向virtual function，也可以指向一個(gè)相關(guān)的thunk（如果需要調(diào)整this指針）。調(diào)整this指針的第二個(gè)額外負(fù)擔(dān)就是，由于兩中不同的可能：（1）經(jīng)由derived class（或者第一個(gè)base class）調(diào)用，（2）經(jīng)由第二個(gè)（或者后繼）base class調(diào)用，同一個(gè)函數(shù)在virtual table中可能需要多筆對應(yīng)的slots。并且在第二個(gè)或者后繼base class中的虛函數(shù)表保存的是thunk代碼地址。

四、 效率

通過上面第三部分的分析，多重繼承和虛擬繼承對象模型的較單一繼承復(fù)雜的對象模型 ，造成了成員訪問低效率， 表現(xiàn)在兩個(gè)方面：對象構(gòu)建時(shí)vptr的多次設(shè)定，以及this指針的調(diào)整。對于多種繼承情況的效率比較如下：

多態(tài)中的data member訪問

    考察多態(tài)中幾種繼承情形的data member成員訪問效率的關(guān)鍵是：members的offset位置在編譯期是否能夠確定。 如果訪問的成員在編譯期就可以確定下offset位置，不會(huì)帶來額外的負(fù)擔(dān)。

    理論上針對上面的繼承類型，通過類對象訪問，效率完全一樣，因?yàn)槌蓡T在類中的位置在編譯期是可以確定的。通過引用或者指針訪問，除了一種情形，上面的繼承類型效率也完全相同 。例外情形是：通過指針和引用訪問虛擬基類的數(shù)據(jù)成員。因?yàn)樘摂M基類在不同的繼承層次中，其offset位置是變化的，并且無法通過指針或者引用類型確定指針指向?qū)ο蟮恼鎸?shí)類型，所以編譯期無法確定offset位置，只能在運(yùn)行期通過類型信息確定。

    實(shí)際上具體繼承（非virtual繼承）并不會(huì)增加空間或者存取時(shí)間上的額外負(fù)擔(dān)，但是虛擬繼承的“間接性”壓抑了“把所有運(yùn)算都移往緩存器執(zhí)行”的優(yōu)化能力，即使通過類對象訪問編譯器也會(huì)像對待指針一樣（目前是，編譯器都沒能識別出對“繼承而來的data member”的存取是通過一個(gè)非多態(tài)對象，因而不需要執(zhí)行期的間接存?。?， 效率令人擔(dān)心。但間接性并不會(huì)嚴(yán)重影響非優(yōu)化程序的執(zhí)行效率，各類型繼承效率差別不大。一般來說，virtual base class最有效的運(yùn)用形式：一個(gè)抽象的virtual base class，沒有任何data   members。

多態(tài)中的function member訪問

     在C++中，nonmember/static member/nonstatic member函數(shù)都被轉(zhuǎn)化為完全相同的形式（通過managling命名處理），所以它們的效率完全相同。

     如果是通過引用和指針調(diào)用虛函數(shù)，效率將會(huì)降低，這是由C++多態(tài)性質(zhì)決定的。而多重繼承和虛擬繼承中虛函數(shù)的調(diào)用比單一繼承的效率更低。這個(gè)從上面表格可以清楚的看出來：this指針調(diào)（比如通過thunk技術(shù)調(diào)整）和多次初始化vptr。當(dāng)然，請記?。和ㄟ^對象訪問虛函數(shù)和訪問非虛成員函數(shù)效率是一樣的。在調(diào)用虛函數(shù)而又不需要多態(tài)的情況下，可以明確地調(diào)用該函數(shù)實(shí)體：類名::函數(shù)名，壓制由于虛擬機(jī)制而產(chǎn)生的不必要的重復(fù)調(diào)用操作。

this指針地址調(diào)整
       多重繼承和虛擬繼承中this指針調(diào)整使得這兩種繼承效率降低，實(shí)際編程時(shí)應(yīng)該有所警惕。下面列出常見的需要調(diào)整this指針的情形：

      1、new 派生類給第二（后繼）個(gè)基類指針或通過第二（后繼）base class調(diào)用派生類虛析構(gòu)函數(shù)

      必須調(diào)整Derived對象的地址，以使其指向Base2 subobject對象。當(dāng)刪除基類指向的對象時(shí)必須再一次調(diào)整，使其指向Derived對象的起始地址，然而這個(gè)調(diào)整只能在執(zhí)行期完成，在編譯時(shí)無法確定指針指向的對象類類型。

      下次你看到這種情況不要好奇：pBase2不等于pDerived。      

Derived* pDerived = new Derived;
Base2* pBase2 = pDerived; // Base2為Derived的第二個(gè)基類
pBase2 != pDerived;    // 兩者不等

 2、通過派生類指針調(diào)用第二或后繼base class擁有的虛函數(shù)

      如果想正確調(diào)用必須在編譯時(shí)調(diào)整派生類指針，以指向后繼base subobject調(diào)用正確的虛函數(shù)。由上面的模型圖可以看到：如果通過派生類指針調(diào)用mumble函數(shù)，而mumble函數(shù)只存在于后繼類的虛函數(shù)表中，故必須調(diào)整之。

      3、后繼base class指針調(diào)用返回derived class type的虛函數(shù)并且賦值給另一后繼base class指針時(shí)

      示例如下：

Base2* pb1 = new Derived;  // 調(diào)整指針指向base2 clss子對象
Base2* pb2 = pb1->clone(); // pb1被調(diào)整至Derived對象的地址，產(chǎn)生新的對象，再次調(diào)整對象指針指向base2基類子對象，賦值給pb2。

 記住：Base class指針一定得指向一個(gè)完整的與自身類型相同的對象或者子對象地址，不滿足這個(gè)條件的情形都需要this指針的調(diào)整。

     詳細(xì)知識請參考：《Inside The C++ Object Model》。

最新評論