何时在 C++ 中创建 vtable？

Question

编译器究竟什么时候创建虚函数表？

1) 当类包含至少一个虚函数时。

或

2) 当直接基类包含至少一个虚函数时。

或

3) 当层次结构中任何级别的任何父类至少包含一个虚函数时。

与此相关的问题： 是否可以放弃 C++ 层次结构中的动态调度？

例如考虑下面的例子。

#include <iostream>
using namespace std;
class A {
public:
  virtual void f();
};
class B: public A {
public:
  void f();
};
class C: public B {
public:
  void f();
};

哪些类将包含 V-Table？

既然 B 没有将 f() 声明为虚拟，那么类 C 是否获得动态多态性？

Answer 1

答案是“视情况而定”。这取决于您所说的“包含 vtbl”是什么意思，并且取决于特定编译器的实现者做出的决定。

严格来说，没有任何“类”包含虚函数表。某些类的某些实例包含指向虚函数表的指针。然而，这只是语义的一种可能实现。

在极端情况下，编译器可以假设将唯一编号放入实例中，该编号索引到用于选择适当虚函数实例的数据结构中。

如果您问“GCC 是做什么的？”或“Visual C++ 做什么？”那么你就可以得到一个具体的答案了。

@Hassan Syed 的回答可能更接近您的问题，但在这里保持概念清晰非常重要。

有行为（基于新的类的动态调度）和实现。您的问题使用了实施术语，但我怀疑您正在寻找行为答案。

行为答案是这样的：任何声明或继承虚函数的类都会在调用该函数时表现出动态行为。任何没有的课程，都不会。

在实现方面，允许编译器做任何它想做的事情来完成那个结果。

Answer 2

回答

当类声明包含虚函数时，会创建一个 vtable。当父级（层次结构中的任何位置）具有虚函数时，就会引入 vtable，让我们将此父级称为 Y。Y 的任何父级都不会有 vtable（除非他们的层次结构中有 virtual 用于其他功能)。

继续阅读以进行讨论和测试

-- 解释--

当您将成员函数指定为虚拟时，您可能会尝试在运行时通过基类多态地使用子类。为了保持 c++ 对语言设计性能的保证，他们提供了最轻量级的实现策略——即，一个间接级别，并且仅当一个类可能在运行时多态地使用时，程序员通过设置至少一个函数来指定这一点虚拟的。

如果您避免使用 virtual 关键字，则不会产生 vtable 的成本。

-- 编辑：反映您的编辑--

只有当基类包含虚函数时，其他子类才会包含 vtable。所述基类的父母没有vtable。

在您的示例中，所有三个类都有一个 vtable，这是因为您可以尝试通过 A*. 使用所有三个类

--test - GCC 4+ --

#include <iostream>

class test_base
{
  public:
    void x(){std::cout << "test_base" << "\n"; };
};

class test_sub : public test_base
{
public:
  virtual void x(){std::cout << "test_sub" << "\n"; } ;
};

class test_subby : public test_sub
{
public:
  void x() { std::cout << "test_subby" << "\n"; }
};

int main() 
{
  test_sub sub;
  test_base base;
  test_subby subby;

  test_sub * psub;
  test_base *pbase;
  test_subby * psubby;

  pbase = &sub;
  pbase->x();
  psub = &subby;
  psub->x();

  return 0;
}

输出

test_base
test_subby

test_base 没有虚拟表，因此任何投射到它的东西都将使用来自test_base 的x()。另一方面，test_sub 改变了 x() 的性质，它的指针将通过 vtable 间接传递，这可以通过正在执行的 test_subby 的 x() 来显示。

因此，只有在使用关键字 virtual 时才会在层次结构中引入 vtable。较早的祖先没有 vtable，如果发生向下转换，它将被硬连线到祖先函数。

Answer 3

C++ 标准不要求使用 V-Tables 来创建多态类的错觉。大多数情况下，实现使用 V-Tables 来存储所需的额外信息。简而言之，当你至少有一个虚拟功能时，这些额外的信息就会被配备。

Answer 4

除了“vtables are implementation-specific”（它们是）之外，如果使用 vtable：每个类都会有唯一的 vtables。即使 B::f 和 C::f 没有声明为虚拟，因为在来自基类 (A 在您的代码中），B::f 和 C::f 都是隐式虚拟的。因为每个类至少有一个唯一的虚方法（B::f 覆盖 A::f 对于 B 实例和 C: :f 对于 C 实例类似），您需要三个 vtable。

您通常不必担心这些细节。重要的是你是否有虚拟调度。你不必使用虚拟调度，通过显式指定要调用的函数，但这通常只在实现虚拟方法时有用（例如调用基地的方法）。示例：

struct B {
  virtual void f() {}
  virtual void g() {}
};

struct D : B {
  virtual void f() { // would be implicitly virtual even if not declared virtual
    B::f();
    // do D-specific stuff
  }
  virtual void g() {}
};

int main() {
  {
    B b; b.g(); b.B::g(); // both call B::g
  }
  {
    D d;
    B& b = d;
    b.g(); // calls D::g
    b.B::g(); // calls B::g

    b.D::g(); // not allowed
    d.D::g(); // calls D::g

    void (B::*p)() = &B::g;
    (b.*p)(); // calls D::g
    // calls through a function pointer always use virtual dispatch
    // (if the pointed-to function is virtual)
  }
  return 0;
}

一些可能有所帮助的具体规则；但不要在这些方面引用我的话，我可能错过了一些极端情况：

• 如果一个类有虚方法或虚基，即使继承，实例也必须有一个虚表指针。
• 如果一个类声明了非继承的虚方法（例如当它没有基类时），那么它必须有自己的 vtable。
• 如果一个类的覆盖方法集与其第一个基类不同，则它必须有自己的 vtable，并且不能重用基类。 （析构函数通常需要这个。）
• 如果一个类有多个基类，而第二个或以后的基类有虚方法：
  • 如果早期的基类没有虚方法，并且空基优化已应用于所有早期的基类，则将此基类视为第一个基类。
  • 否则，该类必须有自己的 vtable。
• 如果一个类有任何虚拟基类，它必须有自己的 vtable。

请记住，vtable 类似于类的静态数据成员，实例只有指向它们的指针。

另请参阅 Jan Gray 撰写的综合文章 C++: Under the Hood（1994 年 3 月）。（如果链接失效，则为 Try Google。）

重用vtable的例子：

struct B {
  virtual void f();
};
struct D : B {
  // does not override B::f
  // does not have other virtuals of its own
  void g(); // still might have its own non-virtuals
  int n; // and data members
};

特别注意，B 的 dtor 不是虚拟的（这可能是真实代码中的错误），但在本例中，D 个实例将指向与 B 个实例相同的 vtable。

Answer 5

您努力使您的问题非常清晰和准确，但仍然缺少一些信息。你可能知道，在使用 V-Table 的实现中，表本身通常是一个独立的数据结构，存储在多态对象之外，而对象本身只存储一个隐式的 pointer 到表。那么，你在问什么？可能是：

• 对象何时会获得一个隐式指针，指向插入的 V-Table？

或

• 什么时候为层次结构中的给定类型创建专用的、单独的 V-Table？

第一个问题的答案是：当对象是多态类类型时，对象会获得一个隐式指针，指向插入其中的 V-Table。如果类类型至少包含一个虚函数，或者它的任何直接或间接父类是多态的，则该类类型是多态的（这是您集合中的答案 3）。另请注意，在多重继承的情况下，一个对象可能（并且将）最终包含嵌入其中的多个 V-Table 指针。

第二个问题的答案可能与第一个问题的答案相同（选项 3），但可能存在例外。如果单继承层次结构中的某些多态类没有自己的虚函数（没有新的虚函数，没有父虚函数的覆盖），则实现可能决定不为此类创建单独的 V-Table，而是也将它的直接父级 V-Table 用于此类（因为无论如何它都将是相同的）。 IE。在这种情况下，父类型的对象和派生类型的对象都将在它们嵌入的 V-Table 指针中存储相同的值。当然，这高度依赖于实施。我检查了 GCC 和 MS VS 2005，但他们并没有那样做。在这种情况下，他们都为派生类创建了一个单独的 V-Table，但我似乎记得听说过没有的实现。

Answer 6

行为在 C++ 语言规范的第 10.3 章第 2 段中定义：

如果一个虚成员函数 vf 是 在类 Base 和 类派生，直接派生或 间接来自成员 Base 具有相同名称的函数 vf 和 与 Base::vf 相同的参数列表是 声明，然后 Derived::vf 也是 虚拟（不管是不是这样 声明 ），它会覆盖 Base::vf。

相关短语用斜体表示。因此，如果你的编译器创建了通常意义上的 v-tables，那么所有的类都会有一个 v-table，因为它们的所有 f() 方法都是虚拟的。