深入理解virtual关键字

发表于 1年以前 | 总阅读数：274 次

引言

为什么会写这篇文章？主要是因为项目中的代码大量使用了带virtual关键字的类，想通过本文浅谈一下。virtual并没有什么超能力可以化腐朽为神奇，它有其存在的理由，但滥用它是一种非常不可取的错误行为。本文将带你一步一步了解virtual机制，为你揭开virtual的神秘面纱。

为什么需要virtual

假设我们正在进行一个公共图形化库的设计实现，其中涉及2d和3d坐标点的打印，设计出Point2d和Point3d的实现如下：


#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，一切都符合预期。既然如此，我们为什么需要virtual？让我们提个新需求：封装一个坐标点打印接口，输入是坐标点实例，输出是坐标点的值。很快，我们实现了代码：

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;
}

问题来了，当我们传入3d坐标点实例时，我们的期望是打印3d坐标点的值，而实际只能打印2d坐标点的值。现在的程序分不清坐标点是2d还是3d，为了让程序变得更聪明，需要对症下药，而virtual正是该症的药方。只需要更新Point2d接口print的声明即可：

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;
}

干的漂亮，一切又恢复完美如初。在c++继承关系中实现多态的威力，正是需要virtual的地方。那么它的神奇魔力究竟从何而来呢？一切要从类数据成员内存布局说起。

类的内存布局

在c++对象模型中，非静态数据成员被配置于每一个类对象之内，静态数据成员则被存放在类对象之外。静态和非静态函数成员也被存放在类对象之外。大多数编译器对类的内存布局方式是按成员的声明顺序依次排列，本文的所有例子都是在mac环境下，使用x86_64-apple-darwin21.6.0/clang-1300.0.29.3编译，非virtual版本的Point2d内存布局：

内存布局需要我们注意的是编译器对内存的对齐方式，内存对齐一般分两步：其一是类成员先按自身大小对齐，其二是类按最大成员大小对齐。我们在安排类成员的时候，应该遵循成员从大到小的顺序声明，这样可以避免不必要的内存填充，节省内存占用。

派生类的内存布局

在c++的继承模型中，一个子类的内存大小，是其基类的数据成员加上其自己的数据成员大小的总和。大多数编译器对子类的内存布局是先安排基类的数据成员，然后是本身的数据成员。非virtual版本的Point3d的内存布局：

virtual类的内存布局

当Point2d声明了virtual函数后，对类对象产生了两点重大影响：一是类将产生一系列指向virtual functions的指针，放在表格之中，这个表格被称之为virtual table(vtbl)。二是类实例都被安插一个指针指向相关的virtual table，通常这个指针被称为vptr。为了示例需要，我们重新设计Point2d和Point3d实现：

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;
};

大多数编译器把vptr安插在类实例的开始处，现在我们来看看virtual版本的Point2d和Point3d的内存布局：

真实内存布局是否如上图所示，很简单，我们一验便知：


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;
}

关键核心virtual table的获取在第5行，其实可以看成两步操作：intptr_t vptr2d = *(intptr_t*)&point2d；intptr_t *vtbl2d = (intptr_t*)vptr2d；第一步使vptr2d指向virtual table，第二步将指针转换为数组首地址。然后就可以用vtbl2d逐个调用虚函数。从输出结果看，程序确实逐个调用到对应的虚函数，virtual类的内存布局和先前我们所画结构图一致。

另一个有趣的地方是虚函数指针的定义，有没有让你联想到什么？你没想错，正是c++类this指针的存在：类成员函数里的this指针，其实是编译器将类实例的地址以第一个参数的形式传递进去的。和其他任何参数一样，this指针没有任何特别之处！

virtual析构函数

前文中我们都没设计析构函数，是因为要在这里单独讲解。让我们重新设计下继承体系，加入Point类：


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析构函数版本，决定继承体系中析构函数链调用的因素是指针的声明类型：析构函数的调用从声明指针类型的类开始，依次调用其父类析构函数。现在我们把Point的析构函数声明为virtual，来看下同样调用的结果：

//除Point析构声明为virtual外，其余均不变
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析构函数版本，决定继承体系中析构函数链调用的因素是指针的实际类型：析构函数的调用从指针指向的实际类型的类开始，依次调用其父类析构函数。

什么时候需要virtual

我看过项目中很多模块的代码，大量的类不管三七二十一都把析构函数声明为virtual。关键是这样的类既不是设计用于基类继承，也不是设计要使用多态能力，简直让人哭笑不得。现在你能理解为啥滥用virtual是不对的吗？因为在非必需的情况下，引入virtual实在不是一个明智的选择，它会带来两个明显的副作用：其一是每个类额外增加一个指针大小的内存占用，其二是函数调用多一层间接性。这两个特性会带来内存与性能的双重消耗。

其中内存的消耗是固定的一个指针大小，似乎看起来不起眼，但在类没有成员或者成员很少的情况下，就会带来100%以上的内存膨胀。性能的消耗则更加隐蔽，virtual会带来构造函数的强制合成，这点可能出乎很多人的意料。为何呢？因为虚表指针需要被安插妥当，因此编译器需要在类构造的时候做好这项工作。如果我们再声明一个虚析构函数，那将再引入一个非必要的合成函数，造成性能的双杀。让我们来瞧瞧这样做的后果：


#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;
}

假设将上面的代码存为demo.cpp，用clang++ -o demo demo.cpp将代码编译成demo，使用nm demo|grep Point2d查看所有相关符号：

可以看到VPoint2d自动合成了构造和析构函数，以及typeinfo信息。作为对比Point2d则没有合成任何函数，我们看下两者的执行效率：在作者mac机器上，三次demo执行的结果取中间值是Point2d：12819，VPoint2d：21833，VPoint2d性能耗时增加了9014次clock，增幅达70.32%。

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

1、在继承中使用多态能力的时候，需要使用virtual functions机制；

2、基类指针指向子类实例的时候，需要使用virtual析构函数；

任何其他时候，virtual并没有其他你想要的任何魔力且会有反噬作用。其实还有一种情况需要virtual，就是virtual base class，由于这种情况太过于复杂，建议任何时候都不要去尝试它（可能需要另外一篇长文来解释为何不建议使用，本文暂且不表）。