深入理解 virtual 關鍵字

来源:https://www.cnblogs.com/88223100/archive/2022/11/01/Understand-the-virtual-keyword-in-depth.html
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為什麼會寫這篇文章？主要是因為項目中的代碼大量使用了帶virtual關鍵字的類，想通過本文淺談一下。virtual並沒有什麼超能力可以化腐朽為神奇，它有其存在的理由，但濫用它是一種非常不可取的錯誤行為。本文將帶你一步一步瞭解virtual機制，為你揭開virtual的神秘面紗。 ...


 

 

引言

為什麼會寫這篇文章？主要是因為項目中的代碼大量使用了帶virtual關鍵字的類，想通過本文淺談一下。virtual並沒有什麼超能力可以化腐朽為神奇，它有其存在的理由，但濫用它是一種非常不可取的錯誤行為。本文將帶你一步一步瞭解virtual機制，為你揭開virtual的神秘面紗。

 

為什麼需要virtual

假設我們正在進行一個公共圖形化庫的設計實現，其中涉及2d和3d坐標點的列印，設計出Point2d和Point3d的實現如下：

#include <stdio.h>
class Point2d {
public:
  Point2d(int x = 0, int y = 0): _x(x), _y(y) {}
  void print() const { printf("Point2d(%d, %d)\n", _x, _y); }
protected:
  int _x;
  int _y;
};
class Point3d : public Point2d {
public:
  Point3d(int x = 0, int y = 0, int z = 0):Point2d(x, y), _z(z) {}
  void print() const { printf("Point3d(%d, %d, %d)\n", _x, _y, _z); }
protected:
  int _z;
};
int main() {
  Point2d point2d;
  Point3d point3d;
  point2d.print();        //outputs: Point2d(0, 0)
  point3d.print();        //outputs: Point3d(0, 0, 0)
  return 0;
}

完美，一切都符合預期。既然如此，我們為什麼需要virtual？讓我們提個新需求：封裝一個坐標點列印介面，輸入是坐標點實例，輸出是坐標點的值。很快，我們實現了代碼：

void print(const Point2d &point) {
  point.print();
}
int main() {
  Point2d point2d;
  Point3d point3d;
  print(point2d);       //outputs: Point2d(0, 0)
  print(point3d);       //outputs: Point2d(0, 0)
  return 0;
}

問題來了，當我們傳入3d坐標點實例時，我們的期望是列印3d坐標點的值，而實際只能列印2d坐標點的值。現在的程式分不清坐標點是2d還是3d，為了讓程式變得更聰明，需要對症下藥，而virtual正是該症的藥方。只需要更新Point2d介面print的聲明即可：

class Point2d {
public:
  virtual void print() const { printf("Point2d(%d, %d)\n", _x, _y); }
};
int main() {
  Point2d point2d;
  Point3d point3d;
  print(point2d);       //outputs: Point2d(0, 0)
  print(point3d);       //outputs: Point3d(0, 0, 0)
  return 0;
}

乾的漂亮，一切又恢復完美如初。在c++繼承關係中實現多態的威力，正是需要virtual的地方。那麼它的神奇魔力究竟從何而來呢？一切要從類數據成員記憶體佈局說起。

 

類的記憶體佈局

在c++對象模型中，非靜態數據成員被配置於每一個類對象之內，靜態數據成員則被存放在類對象之外。靜態和非靜態函數成員也被存放在類對象之外。大多數編譯器對類的記憶體佈局方式是按成員的聲明順序依次排列，本文的所有例子都是在mac環境下，使用x86_64-apple-darwin21.6.0/clang-1300.0.29.3編譯，非virtual版本的Point2d記憶體佈局：

 

 

記憶體佈局需要我們註意的是編譯器對記憶體的對齊方式，記憶體對齊一般分兩步：其一是類成員先按自身大小對齊，其二是類按最大成員大小對齊。我們在安排類成員的時候，應該遵循成員從大到小的順序聲明，這樣可以避免不必要的記憶體填充，節省記憶體占用。

派生類的記憶體佈局

在c++的繼承模型中，一個子類的記憶體大小，是其基類的數據成員加上其自己的數據成員大小的總和。大多數編譯器對子類的記憶體佈局是先安排基類的數據成員，然後是本身的數據成員。非virtual版本的Point3d的記憶體佈局：

 

 

virtual 類的記憶體佈局

當Point2d聲明瞭virtual函數後，對類對象產生了兩點重大影響：一是類將產生一系列指向virtual functions的指針，放在表格之中，這個表格被稱之為virtual table(vtbl)。二是類實例都被安插一個指針指向相關的virtual table，通常這個指針被稱為vptr。為了示例需要，我們重新設計Point2d和Point3d實現：

class Point2d {
public:
  Point2d(int x = 0, int y = 0): _x(x), _y(y) {}
  virtual void print() const { printf("Point2d(%d, %d)\n", _x, _y); }
  virtual int z() const { printf("Point2d get z: 0\n"); return 0; }
  virtual void z(int z) { printf("Point2d set z: %d\n", z); }
protected:
  int _x;
  int _y;
};
class Point3d : public Point2d {
public:
  Point3d(int x = 0, int y = 0, int z = 0):Point2d(x, y), _z(z) {}
  void print() const { printf("Point3d(%d, %d, %d)\n", _x, _y, _z); }
  int z() const { printf("Point3d get z: %d\n", _z); return _z; }
  void z(int z) { printf("Point3d set z: %d\n", z); _z = z; }
protected:
  int _z;
};

大多數編譯器把vptr安插在類實例的開始處，現在我們來看看virtual版本的Point2d和Point3d的記憶體佈局：

 

 真實記憶體佈局是否如上圖所示，很簡單，我們一驗便知：

int main() {
  typedef void (*VF1) (Point2d*);
  typedef void (*VF2) (Point2d*, int);
  Point2d point2d(11, 22);
  intptr_t *vtbl2d = (intptr_t*)*(intptr_t*)&point2d;
  ((VF1)vtbl2d[0])(&point2d);       //outputs: Point2d(11, 22)
  ((VF1)vtbl2d[1])(&point2d);       //outputs: Point2d get z: 0
  ((VF2)vtbl2d[2])(&point2d, 33);   //outputs: Point2d set z: 33
  Point3d point3d(44, 55, 66);
  intptr_t *vtbl3d = (intptr_t*)*(intptr_t*)&point3d;
  ((VF1)vtbl3d[0])(&point3d);       //outputs: Point3d(44, 55, 66)
  ((VF1)vtbl3d[1])(&point3d);       //outputs: Point3d get z: 66
  ((VF2)vtbl3d[2])(&point3d, 77);   //outputs: Point3d set z: 77
  return 0;
}

關鍵核心virtual table的獲取在第5行，其實可以看成兩步操作：intptr_t vptr2d = *(intptr_t*)&point2d；intptr_t *vtbl2d = (intptr_t*)vptr2d；第一步使vptr2d指向virtual table，第二步將指針轉換為數組首地址。然後就可以用vtbl2d逐個調用虛函數。從輸出結果看，程式確實逐個調用到對應的虛函數，virtual類的記憶體佈局和先前我們所畫結構圖一致。

另一個有趣的地方是虛函數指針的定義，有沒有讓你聯想到什麼？你沒想錯，正是c++類this指針的存在：類成員函數里的this指針，其實是編譯器將類實例的地址以第一個參數的形式傳遞進去的。和其他任何參數一樣，this指針沒有任何特別之處！

virtual 析構函數

前文中我們都沒設計析構函數，是因為要在這裡單獨講解。讓我們重新設計下繼承體系，加入Point類：

class Point {
public:
  ~Point() { printf("~Point\n"); }
};
class Point2d : public Point {
public:
  ~Point2d() { printf("~Point2d"); }
};
class Point3d : public Point2d {
public:
  ~Point3d() { printf("~Point3d"); }
};
int main() {
  Point *p1 = new Point();
  Point *p2 = new Point2d();
  Point2d *p3 = new Point2d();
  Point2d *p4 = new Point3d();
  Point3d *p5 = new Point3d();
  delete p1;      //outputs: ~Point
  delete p2;      //outputs: ~Point
  delete p3;      //outputs: ~Point2d~Point
  delete p4;      //outputs: ~Point2d~Point
  delete p5;      //outputs: ~Point3d~Point2d~Point
  return 0;
}

可以看到，非virtual析構函數版本，決定繼承體系中析構函數鏈調用的因素是指針的聲明類型：析構函數的調用從聲明指針類型的類開始，依次調用其父類析構函數。現在我們把Point的析構函數聲明為virtual，來看下同樣調用的結果：

//除Point析構聲明為virtual外，其餘均不變
int main() {
  Point *p1 = new Point();
  Point *p2 = new Point2d();
  Point2d *p3 = new Point2d();
  Point2d *p4 = new Point3d();
  Point3d *p5 = new Point3d();
  delete p1;      //outputs: ~Point
  delete p2;      //outputs: ~Point2d~Point
  delete p3;      //outputs: ~Point2d~Point
  delete p4;      //outputs: ~Point3d~Point2d~Point
  delete p5;      //outputs: ~Point3d~Point2d~Point
  return 0;
}

virtual析構函數版本，決定繼承體系中析構函數鏈調用的因素是指針的實際類型：析構函數的調用從指針指向的實際類型的類開始，依次調用其父類析構函數。

什麼時候需要 virtual

我看過項目中很多模塊的代碼，大量的類不管三七二十一都把析構函數聲明為virtual。關鍵是這樣的類既不是設計用於基類繼承，也不是設計要使用多態能力，簡直讓人哭笑不得。現在你能理解為啥濫用virtual是不對的嗎？因為在非必需的情況下，引入virtual實在不是一個明智的選擇，它會帶來兩個明顯的副作用：其一是每個類額外增加一個指針大小的記憶體占用，其二是函數調用多一層間接性。這兩個特性會帶來記憶體與性能的雙重消耗。

其中記憶體的消耗是固定的一個指針大小，似乎看起來不起眼，但在類沒有成員或者成員很少的情況下，就會帶來100%以上的記憶體膨脹。性能的消耗則更加隱蔽，virtual會帶來構造函數的強制合成，這點可能出乎很多人的意料。為何呢？因為虛表指針需要被安插妥當，因此編譯器需要在類構造的時候做好這項工作。如果我們再聲明一個虛析構函數，那將再引入一個非必要的合成函數，造成性能的雙殺。讓我們來瞧瞧這樣做的後果：

#include <stdio.h>
#include <time.h>
struct Point2d {
    int _x, _y;
};
struct VPoint2d {
    virtual ~VPoint2d() {}
    int _x, _y;
};
template <typename T>
T sum(const T &a, const T &b) {

    T result;
    result._x = a._x + b._x;
    result._y = a._y + b._y;
    return result;
}
template <typename T>
void test(int times) {
    clock_t t1 = clock();
    for (int i = 0; i < times; ++i) {
        sum(T(), T());
    }
    clock_t t2 = clock();
    printf("clocks: %lu\n", t2 - t1);
}
int main() {
    test<Point2d>(1000000);
    test<VPoint2d>(1000000);
    return 0;
}

假設將上面的代碼存為demo.cpp，用clang++ -o demo demo.cpp將代碼編譯成demo，使用nm demo|grep Point2d查看所有相關符號：

 

 

可以看到VPoint2d自動合成了構造和析構函數，以及typeinfo信息。作為對比Point2d則沒有合成任何函數，我們看下兩者的執行效率：在作者mac機器上，三次demo執行的結果取中間值是Point2d：12819，VPoint2d：21833，VPoint2d性能耗時增加了9014次clock，增幅達70.32%。

因此，一定不要隨意引入virtual，一定不要隨意引入virtual，一定不要隨意引入virtual，除非你真正需要它：

1.在繼承中使用多態能力的時候，需要使用virtual functions機制；

2.基類指針指向子類實例的時候，需要使用virtual析構函數；

任何其他時候，virtual並沒有其他你想要的任何魔力且會有反噬作用。其實還有一種情況需要virtual，就是virtual base class，由於這種情況太過於複雜，建議任何時候都不要去嘗試它（可能需要另外一篇長文來解釋為何不建議使用，本文暫且不表）。

結語

關於virtual的講解至此結束，不多不少，不知對你來說是否夠用。希望本文對你瞭解和使用virtual可以起到幫助作用。c++複雜且龐大，很多特性都有它使用的場景和限制，我們只有深入瞭解其背後的機制，才能做到"寵辱不驚，看庭前花開花落；去留無意，望天上雲卷雲舒；"。

最後，本文參考了《深度探索c++對象模型》一書。毋須多言，我覺得這是一本關於c++的必讀書籍。希望大家有空都可以看看，一定會讓你開卷有益、相見恨晚。

 

 

作 者 | 林少華(逸絕)

本文來自博客園，作者：古道輕風，轉載請註明原文鏈接：https://www.cnblogs.com/88223100/p/Understand-the-virtual-keyword-in-depth.html


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