單繼承虛函數例子
class Point 
{
public:
virtual ~Point();
virtual Point& mult( float ) = 0;
// other operations
float x() const { return _x; }
virtual float y() const { return 0; }
virtual float z() const { return 0; }
//
protected:
Point( float x = 0.0 );
float _x;
};
class Point2d : public Point {
public:
Point2d( float x = 0.0, float y = 0.0 )
: Point( x ), _y( y ) {}
~Point2d();
// overridden base class virtual functions
Point2d& mult( float );
float y() const { return _y; }
// other operations
protected:
float _y;
};
class Point3d: public Point2d {
public:
Point3d( float x = 0.0,
float y = 0.0, float z = 0.0 )
: Point2d( x, y ), _z( z ) {}
~Point3d();
// overridden base class virtual functions
Point3d& mult( float );
float z() const { return _z; }
// other operations
protected:
float _z;
};
-
Vtable和VPTR結構
虛函數的實現是通過VTable和vptr。每一個帶有虛函數的類都有一個VTable，在編譯器生成，每一個帶有虛函數的類實例都有一個vptr，該類實例vptr指向該類的VTable，在運行期生成。
如圖左部的類實例內存結構，編譯器為之生成__vptr__Point的指針，指向該類的VTable。
VTable的結構是一個函數指針數組，數組的每個元素是一個函數指針，指向該類虛函數的地址。因為基類Point的Point::mult()為純虛函數，因此Point對應的mult函數指針指向一個pure_virtual_called()，拋出調用純虛函數錯誤。
如圖VTable所示，Point類和其子類的析構函數均在VTable[1]，mult在VTable[2]，y在VTable[3]，z在VTable[4]。如果Point2d增加Point2d自己的虛函數，同時Point3d繼承Point2d的虛函數，他們相同的虛函數接口同樣對應于相同的VTable數組下標，如VTable[5]，此由編譯器保證，因而編譯器對于虛函數接口能將其轉換為函數指針數組的下標。
故，當調用
ptr->z();
編譯器實際調用的是：
( *ptr->vptr[ 4 ] )( ptr );
從而可以找到ptr實際指向的VTable中的虛函數調用地址。
-
虛函數系統開銷
為了實現虛函數，編譯器產生的操作包括：
-
編譯期，為每一個類增加一個VTable函數指針數組，并使其指向正確的虛函數實現。
-
運行期，在類的構造函數中，為每一個類實例增加一個vptr，指向該類的VTable。
-
編譯器，將虛函數調用編譯為函數指針的調用。
-
運行期，在虛函數調用時，通過指向VTable和調用函數的index，查找函數指針(查找效率為數組隨機訪問，常數時間)，調用虛函數。
由分析得，虛函數開銷主要在編譯期的VTable函數指針數組的構造，而運行期的函數指針查找不是性能瓶頸。同時，一個帶虛函數的基類無論有多少個孩子類，并不會降低虛函數性能，而如果類的繼承層次太深，底層類實例的構造函數則需要為類繼承層次的每一層父類初始化vptr，效率降低。
-
虛函數系統性能測試
void
cross_product( const pt3d &pA, const pt3d &pB )
{
pt3d pC;
pC.x = pA.y * pB.z - pA.z * pB.y;
pC.y = pA.z * pB.x - pA.x * pB.z;
pC.z = pA.x * pB.y - pA.y * pB.x;
}
main() {
pt3d pA( 1.725, 0.875, 0.478 );
pt3d pB( 0.315, 0.317, 0.838 );
for ( int iters = 0; iters < 10000000; iters++ )
cross_product( pA, pB );
return 0;
}
Optimized Non-optimized
Inline Member 0.08 4.70
Nonstatic Member 4.43 6.13
Virtual Member
CC 4.76 6.90
NCC 4.63 7.72
CC和NCC是比較的兩個編譯器版本，對于上述計算函數的測試，虛函數的調用開銷主要是3.4虛表查詢，虛函數調用損失了4% 到11%的運行時間。相對于IO操作，可以忽略。