兔子的技术博客

撰文：Don Clugston

类的成员函数和标准的C函数有一些不同。与被显式声明的参数相似，类的成员函数有一个隐藏的参数this，它指向一个类的实例。根据不同的编译器，this或者被看作内部的一个正常的参数，或者会被特别对待（比如，在VC++中，this一般通过ECX寄存器来传递，而普通的成员函数的参数被直接压在堆栈中）。this作为参数和其他普通的参数有着本质的不同，即使一个成员函数受一个普通函数的支配，在标准C++中也没有理由使这个成员函数和其他的普通函数（ordinary function）的行为相同，因为没有thiscall关键字来保证它使用像普通参数一样正常的调用规则。成员函数是一回事，普通函数是另外一回事（Member functions are from Mars, ordinary functions are from Venus）。

你可能会猜测，一个成员函数指针和一个普通函数指针一样，只是一个代码指针。然而这种猜测也许是错误的。在大多数编译器中，一个成员函数指针要比一个普通的函数指针要大许多。更奇怪的是，在Visual C++中，一个成员函数指针可以是4、8、12甚至16个字节长，这取决于它所相关的类的性质，同时也取决于编译器使用了怎样的编译设置！成员函数指针比你想象中的要复杂得多，但也不总是这样。

让我们回到二十世纪80年代初期，那时，最古老的C++编译器CFront刚刚开发完成，那时C++语言只能实现单一继承，而且成员函数指针刚被引入，它们很简单：它们就像普通的函数指针，只是附加了额外的this作为它们的第一个参数，你可以将一个成员函数指针转化成一个普通的函数指针，并使你能够对这个额外添加的参数产生足够的重视。

这个田园般的世界随着CFront 2.0的问世被击得粉碎。它引入了模版和多重继承，多重继承所带来的破坏造成了成员函数指针的改变。问题在于，随着多重继承，调用之前你不知道使用哪一个父类的this指针，比如，你有4个类定义如下：

class A {

public:

virtual int Afunc() { return 2; };

};

class B {

public:

int Bfunc() { return 3; };

};

// C是个单一继承类，它只继承于A

class C: public A {

public:

int Cfunc() { return 4; };

};

// D 类使用了多重继承

class D: public A, public B {

public:

int Dfunc() { return 5; };

};

假如我们建立了C类的一个成员函数指针。在这个例子中，Afunc和Cfunc都是C的成员函数，所以我们的成员函数指针可以指向Afunc或者Cfunc。但是Afunc需要一个this指针指向C::A(后面我叫它Athis)，而Cfunc需要一个this指针指向C（后面我叫它Cthis）。编译器的设计者们为了处理这种情况使用了一个把戏（trick）：他们保证了A类在物理上保存在C类的头部（即C类的起始地址也就是一个A类的一个实例的起始地址），这意味着Athis == Cthis。我们只需担心一个this指针就够了，并且对于目前这种情况，所有的问题处理得还可以。

现在，假如我们建立一个D类的成员函数指针。在这种情况下，我们的成员函数指针可以指向Afunc、Bfunc或Dfunc。但是Afunc需要一个this指针指向D::A，而Bfunc需要一个this指针指向D::B。这时，这个把戏就不管用了，我们不可以把A类和B类都放在D类的头部。所以，D类的一个成员函数指针不仅要说明要指明调用的是哪一个函数，还要指明使用哪一个this指针。编译器知道A类占用的空间有多大，所以它可以对Athis增加一个delta = sizeof(A)偏移量就可以将Athis指针转换为Bthis指针。

如果你使用虚拟继承（virtual inheritance），比如虚基类，情况会变得更糟，你可以不必为搞懂这是为什么太伤脑筋。就举个例子来说吧，编译器使用虚拟函数表（virtual function table——“vtable”）来保存每一个虚函数、函数的地址和virtual_delta：将当前的this指针转换为实际函数需要的this指针时所要增加的位移量。

综上所述，为了支持一般形式的成员函数指针，你需要至少三条信息：函数的地址，需要增加到this指针上的delta位移量，和一个虚拟函数表中的索引。对于MSVC来说，你需要第四条信息：虚拟函数表（vtable）的地址。

那么，编译器是怎样实现成员函数指针的呢？这里是对不同的32、64和16位的编译器，对各种不同的数据类型（有int、void*数据指针、代码指针（比如指向静态函数的指针）、在单一（single-）继承、多重（multiple-）继承、虚拟（virtual-）继承和未知类型（unknown）的继承下的类的成员函数指针）使用sizeof运算符计算所获得的数据：

// Borland (缺省设置) 和Watcom C++.

struct {

FunctionPointer m_func_address;

int m_delta;

int m_vtable_index; //如果不是虚拟继承，这个值为0。

};

// Metrowerks CodeWarrior使用了稍微有些不同的方式。

//即使在不允许多重继承的Embedded C++的模式下，它也使用这样的结构！

struct {

int m_delta;

int m_vtable_index; // 如果不是虚拟继承，这个值为-1。

FunctionPointer m_func_address;

};

// 一个早期的SunCC版本显然使用了另一种规则：

struct {

int m_vtable_index; //如果是一个非虚拟函数（non-virtual function），这个值为0。

FunctionPointer m_func_address; //如果是一个虚拟函数（virtual function），这个值为0。

int m_delta;

};

//下面是微软的编译器在未知继承类型的情况下或者使用/vmg选项时使用的方法：

struct {

FunctionPointer m_func_address;

int m_delta;

int m_vtordisp;

int m_vtable_index; // 如果不是虚拟继承，这个值为0

};

// AIX (PowerPC)上IBM的XLC编译器：

struct {

FunctionPointer m_func_address; // 对PowerPC来说是64位

int m_vtable_index;

int m_delta;

int m_vtordisp;

};

// GNU g++使用了一个机灵的方法来进行空间优化

struct {

union {

FunctionPointer m_func_address; // 其值总是4的倍数

int m_vtable_index_2; // 其值被2除的结果总是奇数

};

int m_delta;

};

对于几乎所有的编译器，delta和vindex用来调整传递给函数的this指针，比如Borland的计算方法是：

adjustedthis = *(this + vindex -1) + delta // 如果vindex!=0

adjustedthis = this + delta // 如果vindex=0

（其中，“*”是提取该地址中的数值，adjustedthis是调整后的this指针——译者注）

Borland使用了一个优化方法：如果这个类是单一继承的，编译器就会知道delta和vindex的值是0，所以它就可以跳过上面的计算方法。

GNU编译器使用了一个奇怪的优化方法。可以清楚地看到，对于多重继承来说，你必须查看vtable（虚拟函数表）以获得voffset（虚拟函数偏移地址）来计算this指针。当你做这些事情的时候，你可能也把函数指针保存在vtable中。通过这些工作，编译器将m_func_address和m_vtable_index合二为一（即放在一个union中），编译器区别这两个变量的方法是使函数指针（m_func_address）的值除以2后结果为偶数，而虚拟函数表索引(m_vtable_index_2)除以2后结果为奇数。它们的计算方法是：

adjustedthis = this + delta

if (funcadr & 1) //如果是奇数

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

else //如果是偶数

call funcadr

（其中， funcadr是函数地址除以2得出的结果。——译者注）

Inter的Itanium编译器（但不是它们的x86编译器）对虚拟继承（virtual inheritance）的情况也使用了unknown_inheritance结构，所以，一个虚拟继承的指针有20字节大小，而不是想象中的16字节。

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

struct {

FunctionPointer m_func_address; //对Itanium来说是64位

int m_delta;

int m_vtable_index;

int m_vtordisp;

};

我不能保证Comeau C++使用的是和GNU相同的技术，也不能保证它们是否使用short代替int使这种虚拟函数指针的结构的大小缩小至8个字节。最近发布的Comeau C++版本为了兼容微软的编译器也使用了微软的编译器关键字（我想它也只是忽略这些关键字而不对它们进行实质的相关处理罢了）。

Digital Mars编译器（即最初的Zortech C++到后来的Symantec C++）使用了一种不同的优化方法。对单一继承类来说，一个成员函数指针仅仅是这个函数的地址。但涉及到更复杂的继承时，这个成员函数指针指向一个形式转换函数（thunk function），这个函数可以实现对this指针的必要调整并可用来调用实际的成员函数。每当涉及到多重继承的时候，每一个成员函数的指针都会有这样一个形式转换函数，这对函数调用来说是非常有效的。但是这意味着，当使用多重继承的时候，子类的成员函数指针向基类成员函数指针的转换就会不起作用了。可见，这种编译器对编译代码的要求比其他的编译器要严格得多。

很多嵌入式系统的编译器不允许多重继承。这样，这些编译器就避免了可能出现的问题：一个成员函数指针就是一个带有隐藏this指针参数的普通函数指针。

微软的编译器使用了和Borland相似的优化方法。它们都使单一继承的情况具有最优的效率。但不像Borland，微软在缺省条件下成员函数指针省略了值为0 的指针入口（entry），我称这种技术为“smallest for class”方法：对单一继承类来说，一个成员函数指针仅保存了函数的地址（m_func_address），所以它有4字节长。而对于多重继承类来说，由于用到了偏移地址（m_delta），所以它有8字节长。对虚拟继承，会用到12个字节。这种方法确实节省空间，但也有其它的问题。

首先，将一个成员函数指针在子类和基类之间进行转化会改变指针的大小！因此，信息是会丢失的。其次，当一个成员函数指针在它的类定义之前声明的时候，编译器必须算出要分配给这个指针多少空间，但是这样做是不安全的，因为在定义之前编译器不可能知道这个类的继承方式。对Intel C++和早期的微软编译器来说，编译器仅仅对指针的大小进行猜测，一旦在源文件中猜测错误，你的程序会在运行时莫名其妙地崩溃。所以，微软的编译器中增加了一些保留字：__single_inheritance, __multiple_inheritance,和 __virtual_inheritance，并增设了一些编译器开关（compiler switch），如/vmg，让所有的成员函数指针有相同的大小，而对原本个头小的成员函数指针的空余部分用0填充。Borland编译器也增加了一些编译器开关，但没有增加新的关键字。Intel的编译器可以识别Microsoft增加的那些关键字，但它在能够找到类的定义的情况下会对这些关键字不做处理。

对于MSVC来说，编译器需要知道类的vtable在哪儿；通常就会有一个this指针的偏移量（vtordisp），这个值对所有这个类中的成员函数来说是不变的，但对每个类来说会是不同的。对于MSVC，经调整过的this指针是在原this指针的基础上经过下面的计算得出的：

if (vindex=0) //如果不是虚拟继承（_virtual_inheritance）

adjustedthis = this + delta

else //如果是

adjustedthis = this + delta + vtordisp + *(*(this + vtordisp) + vindex)

在虚拟继承的情况下，vtordisp的值并不保存在__virtual_inheritance指针中，而是在发现函数调用的代码时，编译器才将其相应的汇编代码“嵌”进去。但是对于未知类型的继承，编译器需要尽可能地通过读代码确定它的继承类型，所以，编译器将虚拟继承指针（virtual inheritance pointer）分为两类（__virtual_inheritance和__unknown_inheritance）。

理论上，所有的编译器设计者应该在MFP（成员函数指针）的实现上有所变革和突破。但在实际上，这是行不通的，因为这使现在编写的大量代码都需要改变。微软曾发表了一篇非常古老的文章（http://msdn.microsoft.com/archive/en-us/dnarvc/html/jangrayhood.asp）来解释Visual C++运作的实现细节。这篇文章是Jan Gray写的，他曾在1990年设计了Microsoft C++的对象模型。尽管这篇文章发表于1994年，但这篇文章仍然很重要——这意味着C++的对象模型在长达15年的时间里（1990年到2004年）没有丝毫改变。

现在，我想你对成员函数指针的事情已经知道得太多了。要点是什么？我已为你建立了一个规则。虽然各种编译器的在这方面的实现方法有很大的不同，但是也有一些有用的共同点：不管对哪种形式的类，调用一个成员函数指针生成的汇编语言代码是完全相同的。有一种特例是使用了“smallest for class”技术的非标准的编译器，即使是这种情况，差别也是很微小的。这个事实可以让我们继续探索怎样去建立高性能的委托（delegate）。