成員函數(shù)指針與高性能的C++委托

Member Function Pointers and the Fastest Possible C++ Delegates

撰文：Don Clugston

翻譯：周翔

引子

標(biāo)準(zhǔn)C++中沒(méi)有真正的面向?qū)ο蟮暮瘮?shù)指針。這一點(diǎn)對(duì)C++來(lái)說(shuō)是不幸的，因?yàn)槊嫦驅(qū)ο蟮闹羔槪ㄒ步凶?#8220;閉包（closure）”或“委托（delegate）”）在一些語(yǔ)言中已經(jīng)證明了它寶貴的價(jià)值。在Delphi (Object Pascal)中，面向?qū)ο蟮暮瘮?shù)指針是Borland可視化組建庫(kù)（VCL，Visual Component Library）的基礎(chǔ)。而在目前，C#使“委托”的概念日趨流行，這也正顯示出C#這種語(yǔ)言的成功。在很多應(yīng)用程序中，“委托”簡(jiǎn)化了松耦合對(duì)象的設(shè)計(jì)模式[GoF]。這種特性無(wú)疑在標(biāo)準(zhǔn)C++中也會(huì)產(chǎn)生很大的作用。

很遺憾，C++中沒(méi)有“委托”，它只提供了成員函數(shù)指針（member function pointers）。很多程序員從沒(méi)有用過(guò)函數(shù)指針，這是有特定的原因的。因?yàn)楹瘮?shù)指針自身有很多奇怪的語(yǔ)法規(guī)則（比如“->*”和“.*”操作符），而且很難找到它們的準(zhǔn)確含義，并且你會(huì)找到更好的辦法以避免使用函數(shù)指針。更具有諷刺意味的是：事實(shí)上，編譯器的編寫(xiě)者如果實(shí)現(xiàn)“委托”的話會(huì)比他費(fèi)勁地實(shí)現(xiàn)成員函數(shù)指針要容易地多！

在這篇文章中，我要揭開(kāi)成員函數(shù)指針那“神秘的蓋子”。在扼要地重述成員函數(shù)指針的語(yǔ)法和特性之后，我會(huì)向讀者解釋成員函數(shù)指針在一些常用的編譯器中是怎樣實(shí)現(xiàn)的，然后我會(huì)向大家展示編譯器怎樣有效地實(shí)現(xiàn)“委托”。最后我會(huì)利用這些精深的知識(shí)向你展示在C++編譯器上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化而可靠的“委托”的技術(shù)。比如，在Visual C++(6.0, .NET, and .NET 2003)中對(duì)單一目標(biāo)委托（single-target delegate）的調(diào)用，編譯器僅僅生成兩行匯編代碼！

函數(shù)指針

下面我們復(fù)習(xí)一下函數(shù)指針。在C和C++語(yǔ)言中，一個(gè)命名為my_func_ptr的函數(shù)指針指向一個(gè)以一個(gè)int和一個(gè)char*為參數(shù)的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)返回一個(gè)浮點(diǎn)值，聲明如下：

float (*my_func_ptr)(int, char *);

為了便于理解，我強(qiáng)烈推薦你使用typedef關(guān)鍵字。如果不這樣的話，當(dāng)函數(shù)指針作為一個(gè)函數(shù)的參數(shù)傳遞的時(shí)候，程序會(huì)變得晦澀難懂。這樣的話，聲明應(yīng)如下所示：

typedef float (*MyFuncPtrType)(int, char *);

MyFuncPtrType my_func_ptr;

應(yīng)注意，對(duì)每一個(gè)函數(shù)的參數(shù)組合，函數(shù)指針的類(lèi)型應(yīng)該是不同的。在Microsoft Visual C++（以下稱(chēng)MSVC）中，對(duì)三種不同的調(diào)用方式有不同的類(lèi)型：__cdecl, __stdcall, 和__fastcall。如果你的函數(shù)指針指向一個(gè)型如float some_func(int, char *)的函數(shù)，這樣做就可以了：

my_func_ptr = some_func;

當(dāng)你想調(diào)用它所指向的函數(shù)時(shí)，你可以這樣寫(xiě)：

(*my_func_ptr)(7, "Arbitrary String");

你可以將一種類(lèi)型的函數(shù)指針轉(zhuǎn)換成另一種函數(shù)指針類(lèi)型，但你不可以將一個(gè)函數(shù)指針指向一個(gè)void *型的數(shù)據(jù)指針。其他的轉(zhuǎn)換操作就不用詳敘了。一個(gè)函數(shù)指針可以被設(shè)置為0來(lái)表明它是一個(gè)空指針。所有的比較運(yùn)算符（==, !=, <, >, <=, >=）都可以使用，可以使用“==

在C語(yǔ)言中，函數(shù)指針通常用來(lái)像qsort一樣將函數(shù)作為參數(shù)，或者作為Windows系統(tǒng)函數(shù)的回調(diào)函數(shù)等等。函數(shù)指針還有很多其他的應(yīng)用。函數(shù)指針的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單：它們只是“代碼指針（code pointer）”，它們體現(xiàn)在匯編語(yǔ)言中是用來(lái)保存子程序代碼的首地址。而這種函數(shù)指針的存在只是為了保證使用了正確的調(diào)用規(guī)范。

成員函數(shù)指針

在C++程序中，很多函數(shù)是成員函數(shù)，即這些函數(shù)是某個(gè)類(lèi)中的一部分。你不可以像一個(gè)普通的函數(shù)指針那樣指向一個(gè)成員函數(shù)，正確的做法應(yīng)該是，你必須使用一個(gè)成員函數(shù)指針。一個(gè)成員函數(shù)的指針指向類(lèi)中的一個(gè)成員函數(shù)，并和以前有相同的參數(shù)，聲明如下：

float (SomeClass::*my_memfunc_ptr)(int, char *);

對(duì)于使用const關(guān)鍵字修飾的成員函數(shù)，聲明如下：

float (SomeClass::*my_const_memfunc_ptr)(int, char *) const;

注意使用了特殊的運(yùn)算符（::*），而“SomeClass”是聲明中的一部分。成員函數(shù)指針有一個(gè)可怕的限制：它們只能指向一個(gè)特定的類(lèi)中的成員函數(shù)。對(duì)每一種參數(shù)的組合，需要有不同的成員函數(shù)指針類(lèi)型，而且對(duì)每種使用const修飾的函數(shù)和不同類(lèi)中的函數(shù)，也要有不同的函數(shù)指針類(lèi)型。在MSVC中，對(duì)下面這四種調(diào)用方式都有一種不同的調(diào)用類(lèi)型：

__cdecl, __stdcall, __fastcall, 和 __thiscall。

（__thiscall是缺省的方式，有趣的是，在任何官方文檔中從沒(méi)有對(duì)__thiscall關(guān)鍵字的詳細(xì)描述，但是它經(jīng)常在錯(cuò)誤信息中出現(xiàn)。如果你顯式地使用它，你會(huì)看到“它被保留作為以后使用（it is reserved for future use）”的錯(cuò)誤提示。）

如果你使用了成員函數(shù)指針，你最好使用typedef以防止混淆。將函數(shù)指針指向型如float SomeClass::some_member_func(int, char *)的函數(shù)，你可以這樣寫(xiě)：

my_memfunc_ptr = &SomeClass::some_member_func;

很多編譯器（比如MSVC）會(huì)讓你去掉“&”，而其他一些編譯器（比如GNU G++）則需要添加“&”，所以在手寫(xiě)程序的時(shí)候我建議把它添上。若要調(diào)用成員函數(shù)指針，你需要先建立SomeClass的一個(gè)實(shí)例，并使用特殊操作符“->*”，這個(gè)操作符的優(yōu)先級(jí)較低，你需要將其適當(dāng)?shù)胤湃雸A括號(hào)內(nèi)。

SomeClass *x = new SomeClass;

(x->*my_memfunc_ptr)(6, "Another Arbitrary Parameter");

//如果類(lèi)在棧上，你也可以使用“.*”運(yùn)算符。

SomeClass y;

(y.*my_memfunc_ptr)(15, "Different parameters this time");

不要怪我使用如此奇怪的語(yǔ)法——看起來(lái)C++的設(shè)計(jì)者對(duì)標(biāo)點(diǎn)符號(hào)有著由衷的感情！C++相對(duì)于C增加了三種特殊運(yùn)算符來(lái)支持成員指針。“::*”用于指針的聲明，而“->*”和“.*”用來(lái)調(diào)用指針指向的函數(shù)。這樣看起來(lái)對(duì)一個(gè)語(yǔ)言模糊而又很少使用的部分的過(guò)分關(guān)注是多余的。（你當(dāng)然可以重載“->*”這些運(yùn)算符，但這不是本文所要涉及的范圍。）

一個(gè)成員函數(shù)指針可以被設(shè)置成0，并可以使用“==”和“!=”比較運(yùn)算符，但只能限定在同一個(gè)類(lèi)中的成員函數(shù)的指針之間進(jìn)行這樣的比較。任何成員函數(shù)指針都可以和0做比較以判斷它是否為空。與函數(shù)指針不同，不等運(yùn)算符（<, >, <=, >=）對(duì)成員函數(shù)指針是不可用的。

成員函數(shù)指針的怪異之處

成員函數(shù)指針有時(shí)表現(xiàn)得很奇怪。

首先，你不可以用一個(gè)成員函數(shù)指針指向一個(gè)靜態(tài)成員函數(shù)，你必須使用普通的函數(shù)指針才行（在這里“成員函數(shù)指針”會(huì)產(chǎn)生誤解，它實(shí)際上應(yīng)該是“非靜態(tài)成員函數(shù)指針”才對(duì)）。

其次，當(dāng)使用類(lèi)的繼承時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些比較奇怪的情況。比如，下面的代碼在MSVC下會(huì)編譯成功（注意代碼注釋?zhuān)?/p>

#include “stdio.h”

class SomeClass {

public:

virtual void some_member_func(int x, char *p) {

printf("In SomeClass"); };

};

class DerivedClass : public SomeClass {

public:

// 如果你把下一行的注釋銷(xiāo)掉，帶有 line (*)的那一行會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤

// virtual void some_member_func(int x, char *p) { printf("In DerivedClass"); };

};

int main() {

//聲明SomeClass的成員函數(shù)指針

typedef void (SomeClass::*SomeClassMFP)(int, char *);

SomeClassMFP my_memfunc_ptr;

my_memfunc_ptr = &DerivedClass::some_member_func; // ---- line (*)

return 0;

}

奇怪的是，&DerivedClass::some_member_func是一個(gè)SomeClass類(lèi)的成員函數(shù)指針，而不是DerivedClass類(lèi)的成員函數(shù)指針！（一些編譯器稍微有些不同：比如，對(duì)于Digital Mars C++，在上面的例子中，&DerivedClass::some_member_func會(huì)被認(rèn)為沒(méi)有定義。）但是，如果在DerivedClass類(lèi)中重寫(xiě)（override）了some_member_func函數(shù)，代碼就無(wú)法通過(guò)編譯，因?yàn)楝F(xiàn)在的&DerivedClass::some_member_func已成為DerivedClass類(lèi)中的成員函數(shù)指針！

成員函數(shù)指針之間的類(lèi)型轉(zhuǎn)換是一個(gè)討論起來(lái)非常模糊的話題。在C++的標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程中，在涉及繼承的類(lèi)的成員函數(shù)指針時(shí)，對(duì)于將成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為基類(lèi)的成員函數(shù)指針還是轉(zhuǎn)化為子類(lèi)成員函數(shù)指針的問(wèn)題和是否可以將一個(gè)類(lèi)的成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為另一個(gè)不相關(guān)的類(lèi)的成員函數(shù)指針的問(wèn)題，人們?cè)羞^(guò)很激烈的爭(zhēng)論。然而不幸的是，在標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)做出決定之前，不同的編譯器生產(chǎn)商已經(jīng)根據(jù)自己對(duì)這些問(wèn)題的不同的回答實(shí)現(xiàn)了自己的編譯器。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（第

在一些編譯器中，在基類(lèi)和子類(lèi)的成員函數(shù)指針之間的轉(zhuǎn)換時(shí)常有怪事發(fā)生。當(dāng)涉及到多重繼承時(shí)，使用reinterpret_cast將子類(lèi)轉(zhuǎn)換成基類(lèi)時(shí)，對(duì)某一特定編譯器來(lái)說(shuō)有可能通過(guò)編譯，而也有可能通不過(guò)編譯，這取決于在子類(lèi)的基類(lèi)列表中的基類(lèi)的順序！下面就是一個(gè)例子：

class Derived: public Base1, public Base2 // 情況 (a)

class Derived2: public Base2, public Base1 // 情況 (b)

typedef void (Derived::* Derived_mfp)();

typedef void (Derived2::* Derived2_mfp)();

typedef void (Base1::* Base1mfp) ();

typedef void (Base2::* Base2mfp) ();

Derived_mfp x;

對(duì)于情況(a)，static_cast<Base1mfp>(x)是合法的，而static_cast<Base2mfp>(x)則是錯(cuò)誤的。然而情況(b)卻與之相反。你只可以安全地將子類(lèi)的成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為第一個(gè)基類(lèi)的成員函數(shù)指針！如果你要實(shí)驗(yàn)一下，MSVC會(huì)發(fā)出C4407號(hào)警告，而Digital Mars C++會(huì)出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤。如果用reinterpret_cast代替static_cast，這兩個(gè)編譯器都會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，但是兩種編譯器對(duì)此有著不同的原因。但是一些編譯器對(duì)此細(xì)節(jié)置之不理，大家可要小心了！

標(biāo)準(zhǔn)C++中另一條有趣的規(guī)則是：你可以在類(lèi)定義之前聲明它的成員函數(shù)指針。這對(duì)一些編譯器會(huì)有一些無(wú)法預(yù)料的副作用。我待會(huì)討論這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在你只要知道要盡可能得避免這種情況就是了。

值得注意的是，就像成員函數(shù)指針，標(biāo)準(zhǔn)C++中同樣提供了成員數(shù)據(jù)指針（member data pointer）。它們具有相同的操作符，而且有一些實(shí)現(xiàn)原則也是相同的。它們用在stl::stable_sort的一些實(shí)現(xiàn)方案中，而對(duì)此很多其他的應(yīng)用我就不再提及了。

成員函數(shù)指針的使用

現(xiàn)在你可能會(huì)覺(jué)得成員函數(shù)指針是有些奇異。但它可以用來(lái)做什么呢？對(duì)此我在網(wǎng)上做了非常廣泛的調(diào)查。最后我總結(jié)出使用成員函數(shù)指針的兩點(diǎn)原因：

• 用來(lái)做例子給C++初學(xué)者看，幫助它們學(xué)習(xí)語(yǔ)法；或者
• 為了實(shí)現(xiàn)“委托（delegate）”！

成員函數(shù)指針在STL和Boost庫(kù)的單行函數(shù)適配器（one-line function adaptor）中的使用是微不足道的，而且允許你將成員函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)算法混合使用。但是它們最重要的應(yīng)用是在不同類(lèi)型的應(yīng)用程序框架中，比如它們形成了MFC消息系統(tǒng)的核心。

當(dāng)你使用MFC的消息映射宏（比如ON_COMMAND）時(shí)，你會(huì)組裝一個(gè)包含消息ID和成員函數(shù)指針（型如：CCmdTarget::*成員函數(shù)指針）的序列。這是MFC類(lèi)必須繼承CCmdTarget才可以處理消息的原因之一。但是，各種不同的消息處理函數(shù)具有不同的參數(shù)列表（比如OnDraw處理函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)的類(lèi)型為CDC *），所以序列中必須包含各種不同類(lèi)型的成員函數(shù)指針。

MFC是怎樣做到這一點(diǎn)的呢？MFC利用了一個(gè)可怕的編譯器漏洞（hack），它將所有可能出現(xiàn)的成員函數(shù)指針?lè)诺揭粋€(gè)龐大的聯(lián)合（union）中，從而避免了通常需要進(jìn)行的C++類(lèi)型匹配檢查。（看一下afximpl.h和cmdtarg.cpp中名為MessageMapFunctions的union，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這一恐怖的事實(shí)。）

因?yàn)镸FC有如此重要的一部分代碼，所以事實(shí)是，所有的編譯器都為這個(gè)漏洞開(kāi)了綠燈。（但是，在后面我們會(huì)看到，如果一些類(lèi)用到了多重繼承，這個(gè)漏洞在MSVC中就不會(huì)起作用，這正是在使用MFC時(shí)只能必須使用單一繼承的原因。）

在boost::function中有類(lèi)似的漏洞（但不是太嚴(yán)重）。看起來(lái)如果你想做任何有關(guān)成員函數(shù)指針的比較有趣的事，你就必須做好與這個(gè)語(yǔ)言的漏洞進(jìn)行挑戰(zhàn)的準(zhǔn)備。要是你想否定C++的成員函數(shù)指針設(shè)計(jì)有缺陷的觀點(diǎn)，看來(lái)是很難的。

在寫(xiě)這篇文章中，我有一點(diǎn)需要指明：“允許成員函數(shù)指針之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換（cast），而不允許在轉(zhuǎn)換完成后調(diào)用其中的函數(shù)”，把這個(gè)規(guī)則納入C++的標(biāo)準(zhǔn)中是可笑的。

首先，很多流行的編譯器對(duì)這種轉(zhuǎn)換不支持（所以，轉(zhuǎn)換是標(biāo)準(zhǔn)要求的，但不是可移植的）。

其次，所有的編譯器，如果轉(zhuǎn)換成功，調(diào)用轉(zhuǎn)換后的成員函數(shù)指針時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)你預(yù)期的功能：那編譯器就沒(méi)有所謂的“undefined behavior（未定義的行為）”這類(lèi)錯(cuò)誤出現(xiàn)的必要了（調(diào)用（Invocation）是可行的，但這不是標(biāo)準(zhǔn)！）。

第三，允許轉(zhuǎn)換而不允許調(diào)用是完全沒(méi)有用處的，只有轉(zhuǎn)換和調(diào)用都可行，才能方便而有效地實(shí)現(xiàn)委托，從而使這種語(yǔ)言受益。

為了讓你確信這一具有爭(zhēng)議的論斷，考慮一下在一個(gè)文件中只有下面的一段代碼，這段代碼是合法的：

class SomeClass;

typedef void (SomeClass::* SomeClassFunction)(void);

void Invoke(SomeClass *pClass, SomeClassFunction funcptr) {(pClass->*funcptr)(); };

注意到編譯器必須生成匯編代碼來(lái)調(diào)用成員函數(shù)指針，其實(shí)編譯器對(duì)SomeClass類(lèi)一無(wú)所知。顯然，除非鏈接器進(jìn)行了一些極端精細(xì)的優(yōu)化措施，否則代碼會(huì)忽視類(lèi)的實(shí)際定義而能夠正確地運(yùn)行。而這造成的直接后果是，你可以“安全地”調(diào)用從完全不同的其他類(lèi)中轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的成員函數(shù)指針。

為解釋我的斷言的另一半——轉(zhuǎn)換并不能按照標(biāo)準(zhǔn)所說(shuō)的方式進(jìn)行，我需要在細(xì)節(jié)上討論編譯器是怎樣實(shí)現(xiàn)成員函數(shù)指針的。我同時(shí)會(huì)解釋為什么使用成員函數(shù)指針的規(guī)則具有如此嚴(yán)格的限制。獲得詳細(xì)論述成員函數(shù)指針的文檔不是太容易，并且大家對(duì)錯(cuò)誤的言論已經(jīng)習(xí)以為常了，所以，我仔細(xì)檢查了一系列編譯器生成的匯編代碼……

成員函數(shù)指針——為什么那么復(fù)雜？

類(lèi)的成員函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)有一些不同。與被顯式聲明的參數(shù)相似，類(lèi)的成員函數(shù)有一個(gè)隱藏的參數(shù)this，它指向一個(gè)類(lèi)的實(shí)例。根據(jù)不同的編譯器，this或者被看作內(nèi)部的一個(gè)正常的參數(shù)，或者會(huì)被特別對(duì)待（比如，在VC++中，this一般通過(guò)ECX寄存器來(lái)傳遞，而普通的成員函數(shù)的參數(shù)被直接壓在堆棧中）。this作為參數(shù)和其他普通的參數(shù)有著本質(zhì)的不同，即使一個(gè)成員函數(shù)受一個(gè)普通函數(shù)的支配，在標(biāo)準(zhǔn)C++中也沒(méi)有理由使這個(gè)成員函數(shù)和其他的普通函數(shù)（ordinary function）的行為相同，因?yàn)闆](méi)有thiscall關(guān)鍵字來(lái)保證它使用像普通參數(shù)一樣正常的調(diào)用規(guī)則。成員函數(shù)是一回事，普通函數(shù)是另外一回事（Member functions are from Mars, ordinary functions are from Venus）。

你可能會(huì)猜測(cè)，一個(gè)成員函數(shù)指針和一個(gè)普通函數(shù)指針一樣，只是一個(gè)代碼指針。然而這種猜測(cè)也許是錯(cuò)誤的。在大多數(shù)編譯器中，一個(gè)成員函數(shù)指針要比一個(gè)普通的函數(shù)指針要大許多。更奇怪的是，在Visual C++中，一個(gè)成員函數(shù)指針可以是4、8、12甚至16個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，這取決于它所相關(guān)的類(lèi)的性質(zhì)，同時(shí)也取決于編譯器使用了怎樣的編譯設(shè)置！成員函數(shù)指針比你想象中的要復(fù)雜得多，但也不總是這樣。

讓我們回到二十世紀(jì)80年代初期，那時(shí)，最古老的C++編譯器CFront剛剛開(kāi)發(fā)完成，那時(shí)C++語(yǔ)言只能實(shí)現(xiàn)單一繼承，而且成員函數(shù)指針剛被引入，它們很簡(jiǎn)單：它們就像普通的函數(shù)指針，只是附加了額外的this作為它們的第一個(gè)參數(shù)，你可以將一個(gè)成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化成一個(gè)普通的函數(shù)指針，并使你能夠?qū)@個(gè)額外添加的參數(shù)產(chǎn)生足夠的重視。

這個(gè)田園般的世界隨著CFront 2.0的問(wèn)世被擊得粉碎。它引入了模版和多重繼承，多重繼承所帶來(lái)的破壞造成了成員函數(shù)指針的改變。問(wèn)題在于，隨著多重繼承，調(diào)用之前你不知道使用哪一個(gè)父類(lèi)的this指針，比如，你有4個(gè)類(lèi)定義如下：

class A {

public:

virtual int Afunc() { return 2; };

};

class B {

public:

int Bfunc() { return 3; };

};

// C是個(gè)單一繼承類(lèi)，它只繼承于A

class C: public A {

public:

int Cfunc() { return 4; };

};

// D 類(lèi)使用了多重繼承

class D: public A, public B {

public:

int Dfunc() { return 5; };

};

假如我們建立了C類(lèi)的一個(gè)成員函數(shù)指針。在這個(gè)例子中，Afunc和Cfunc都是C的成員函數(shù)，所以我們的成員函數(shù)指針可以指向Afunc或者Cfunc。但是Afunc需要一個(gè)this指針指向C::A(后面我叫它Athis)，而Cfunc需要一個(gè)this指針指向C（后面我叫它Cthis）。編譯器的設(shè)計(jì)者們?yōu)榱颂幚磉@種情況使用了一個(gè)把戲（trick）：他們保證了A類(lèi)在物理上保存在C類(lèi)的頭部（即C類(lèi)的起始地址也就是一個(gè)A類(lèi)的一個(gè)實(shí)例的起始地址），這意味著Athis == Cthis。我們只需擔(dān)心一個(gè)this指針就夠了，并且對(duì)于目前這種情況，所有的問(wèn)題處理得還可以。

現(xiàn)在，假如我們建立一個(gè)D類(lèi)的成員函數(shù)指針。在這種情況下，我們的成員函數(shù)指針可以指向Afunc、Bfunc或Dfunc。但是Afunc需要一個(gè)this指針指向D::A，而B(niǎo)func需要一個(gè)this指針指向D::B。這時(shí)，這個(gè)把戲就不管用了，我們不可以把A類(lèi)和B類(lèi)都放在D類(lèi)的頭部。所以，D類(lèi)的一個(gè)成員函數(shù)指針不僅要說(shuō)明要指明調(diào)用的是哪一個(gè)函數(shù)，還要指明使用哪一個(gè)this指針。編譯器知道A類(lèi)占用的空間有多大，所以它可以對(duì)Athis增加一個(gè)delta = sizeof(A)偏移量就可以將Athis指針轉(zhuǎn)換為Bthis指針。

如果你使用虛擬繼承（virtual inheritance），比如虛基類(lèi)，情況會(huì)變得更糟，你可以不必為搞懂這是為什么太傷腦筋。就舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)吧，編譯器使用虛擬函數(shù)表（virtual function table——“vtable”）來(lái)保存每一個(gè)虛函數(shù)、函數(shù)的地址和virtual_delta：將當(dāng)前的this指針轉(zhuǎn)換為實(shí)際函數(shù)需要的this指針時(shí)所要增加的位移量。

綜上所述，為了支持一般形式的成員函數(shù)指針，你需要至少三條信息：函數(shù)的地址，需要增加到this指針上的delta位移量，和一個(gè)虛擬函數(shù)表中的索引。對(duì)于MSVC來(lái)說(shuō)，你需要第四條信息：虛擬函數(shù)表（vtable）的地址。

成員函數(shù)指針的實(shí)現(xiàn)

那么，編譯器是怎樣實(shí)現(xiàn)成員函數(shù)指針的呢？這里是對(duì)不同的32、64和16位的編譯器，對(duì)各種不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型（有int、void*數(shù)據(jù)指針、代碼指針（比如指向靜態(tài)函數(shù)的指針）、在單一（single-）繼承、多重（multiple-）繼承、虛擬（virtual-）繼承和未知類(lèi)型（unknown）的繼承下的類(lèi)的成員函數(shù)指針）使用sizeof運(yùn)算符計(jì)算所獲得的數(shù)據(jù)：

看著表中的數(shù)據(jù)，你是不是覺(jué)得很驚奇？你可以清楚地看到編寫(xiě)一段在一些環(huán)境中可以運(yùn)行而在另一些編譯器中不能運(yùn)行的代碼是很容易的。不同的編譯器之間，它們的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)顯然是有很大差別的；事實(shí)上，我認(rèn)為編譯器在實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言的其他特性上并沒(méi)有這樣明顯的差別。對(duì)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)進(jìn)行研究你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些奇怪的問(wèn)題。

一般，編譯器采取最差的，而且一直使用最普通的形式。比如對(duì)于下面這個(gè)結(jié)構(gòu)：

// Borland (缺省設(shè)置) 和Watcom C++.

struct {

FunctionPointer m_func_address;

int m_delta;

int m_vtable_index; //如果不是虛擬繼承，這個(gè)值為0。

};

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

//即使在不允許多重繼承的Embedded C++的模式下，它也使用這樣的結(jié)構(gòu)！

struct {

int m_delta;

int m_vtable_index; // 如果不是虛擬繼承，這個(gè)值為-1。

FunctionPointer m_func_address;

};

// 一個(gè)早期的SunCC版本顯然使用了另一種規(guī)則：

struct {

int m_vtable_index; //如果是一個(gè)非虛擬函數(shù)（non-virtual function），這個(gè)值為0。

FunctionPointer m_func_address; //如果是一個(gè)虛擬函數(shù)（virtual function），這個(gè)值為0。

int m_delta;

};

//下面是微軟的編譯器在未知繼承類(lèi)型的情況下或者使用/vmg選項(xiàng)時(shí)使用的方法：

struct {

FunctionPointer m_func_address;

int m_delta;

int m_vtordisp;

int m_vtable_index; // 如果不是虛擬繼承，這個(gè)值為0

};

// AIX (PowerPC)上IBM的XLC編譯器：

struct {

FunctionPointer m_func_address; // 對(duì)PowerPC來(lái)說(shuō)是64位

int m_vtable_index;

int m_delta;

int m_vtordisp;

};

// GNU g++使用了一個(gè)機(jī)靈的方法來(lái)進(jìn)行空間優(yōu)化

struct {

union {

FunctionPointer m_func_address; // 其值總是4的倍數(shù)

int m_vtable_index_2; // 其值被2除的結(jié)果總是奇數(shù)

};

int m_delta;

};

對(duì)于幾乎所有的編譯器，delta和vindex用來(lái)調(diào)整傳遞給函數(shù)的this指針，比如Borland的計(jì)算方法是：

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

adjustedthis = this + delta // 如果vindex=0

（其中，“*”是提取該地址中的數(shù)值，adjustedthis是調(diào)整后的this指針——譯者注）

Borland使用了一個(gè)優(yōu)化方法：如果這個(gè)類(lèi)是單一繼承的，編譯器就會(huì)知道delta和vindex的值是0，所以它就可以跳過(guò)上面的計(jì)算方法。

GNU編譯器使用了一個(gè)奇怪的優(yōu)化方法。可以清楚地看到，對(duì)于多重繼承來(lái)說(shuō)，你必須查看vtable（虛擬函數(shù)表）以獲得voffset（虛擬函數(shù)偏移地址）來(lái)計(jì)算this指針。當(dāng)你做這些事情的時(shí)候，你可能也把函數(shù)指針保存在vtable中。通過(guò)這些工作，編譯器將m_func_address和m_vtable_index合二為一（即放在一個(gè)union中），編譯器區(qū)別這兩個(gè)變量的方法是使函數(shù)指針（m_func_address）的值除以2后結(jié)果為偶數(shù)，而虛擬函數(shù)表索引(m_vtable_index_2)除以2后結(jié)果為奇數(shù)。它們的計(jì)算方法是：

adjustedthis = this + delta

if (funcadr & 1) //如果是奇數(shù)

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

else //如果是偶數(shù)

call funcadr

（其中， funcadr是函數(shù)地址除以2得出的結(jié)果。——譯者注）

Inter的Itanium編譯器（但不是它們的x86編譯器）對(duì)虛擬繼承（virtual inheritance）的情況也使用了unknown_inheritance結(jié)構(gòu)，所以，一個(gè)虛擬繼承的指針有20字節(jié)大小，而不是想象中的16字節(jié)。

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

struct {

FunctionPointer m_func_address; //對(duì)Itanium來(lái)說(shuō)是64位

int m_delta;

int m_vtable_index;

int m_vtordisp;

};

我不能保證Comeau C++使用的是和GNU相同的技術(shù)，也不能保證它們是否使用short代替int使這種虛擬函數(shù)指針的結(jié)構(gòu)的大小縮小至8個(gè)字節(jié)。最近發(fā)布的Comeau C++版本為了兼容微軟的編譯器也使用了微軟的編譯器關(guān)鍵字（我想它也只是忽略這些關(guān)鍵字而不對(duì)它們進(jìn)行實(shí)質(zhì)的相關(guān)處理罷了）。

Digital Mars編譯器（即最初的Zortech C++到后來(lái)的Symantec C++）使用了一種不同的優(yōu)化方法。對(duì)單一繼承類(lèi)來(lái)說(shuō)，一個(gè)成員函數(shù)指針僅僅是這個(gè)函數(shù)的地址。但涉及到更復(fù)雜的繼承時(shí)，這個(gè)成員函數(shù)指針指向一個(gè)形式轉(zhuǎn)換函數(shù)（thunk function），這個(gè)函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)this指針的必要調(diào)整并可用來(lái)調(diào)用實(shí)際的成員函數(shù)。每當(dāng)涉及到多重繼承的時(shí)候，每一個(gè)成員函數(shù)的指針都會(huì)有這樣一個(gè)形式轉(zhuǎn)換函數(shù)，這對(duì)函數(shù)調(diào)用來(lái)說(shuō)是非常有效的。但是這意味著，當(dāng)使用多重繼承的時(shí)候，子類(lèi)的成員函數(shù)指針向基類(lèi)成員函數(shù)指針的轉(zhuǎn)換就會(huì)不起作用了。可見(jiàn)，這種編譯器對(duì)編譯代碼的要求比其他的編譯器要嚴(yán)格得多。

很多嵌入式系統(tǒng)的編譯器不允許多重繼承。這樣，這些編譯器就避免了可能出現(xiàn)的問(wèn)題：一個(gè)成員函數(shù)指針就是一個(gè)帶有隱藏this指針參數(shù)的普通函數(shù)指針。

微軟"smallest for class"方法的問(wèn)題

微軟的編譯器使用了和Borland相似的優(yōu)化方法。它們都使單一繼承的情況具有最優(yōu)的效率。但不像Borland，微軟在缺省條件下成員函數(shù)指針省略了值為0 的指針入口（entry），我稱(chēng)這種技術(shù)為“smallest for class”方法：對(duì)單一繼承類(lèi)來(lái)說(shuō)，一個(gè)成員函數(shù)指針僅保存了函數(shù)的地址（m_func_address），所以它有4字節(jié)長(zhǎng)。而對(duì)于多重繼承類(lèi)來(lái)說(shuō)，由于用到了偏移地址（m_delta），所以它有8字節(jié)長(zhǎng)。對(duì)虛擬繼承，會(huì)用到12個(gè)字節(jié)。這種方法確實(shí)節(jié)省空間，但也有其它的問(wèn)題。

首先，將一個(gè)成員函數(shù)指針在子類(lèi)和基類(lèi)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化會(huì)改變指針的大小！因此，信息是會(huì)丟失的。其次，當(dāng)一個(gè)成員函數(shù)指針在它的類(lèi)定義之前聲明的時(shí)候，編譯器必須算出要分配給這個(gè)指針多少空間，但是這樣做是不安全的，因?yàn)樵诙x之前編譯器不可能知道這個(gè)類(lèi)的繼承方式。對(duì)Intel C++和早期的微軟編譯器來(lái)說(shuō)，編譯器僅僅對(duì)指針的大小進(jìn)行猜測(cè)，一旦在源文件中猜測(cè)錯(cuò)誤，你的程序會(huì)在運(yùn)行時(shí)莫名其妙地崩潰。所以，微軟的編譯器中增加了一些保留字：__single_inheritance, __multiple_inheritance,和 __virtual_inheritance，并增設(shè)了一些編譯器開(kāi)關(guān)（compiler switch），如/vmg，讓所有的成員函數(shù)指針有相同的大小，而對(duì)原本個(gè)頭小的成員函數(shù)指針的空余部分用0填充。Borland編譯器也增加了一些編譯器開(kāi)關(guān)，但沒(méi)有增加新的關(guān)鍵字。Intel的編譯器可以識(shí)別Microsoft增加的那些關(guān)鍵字，但它在能夠找到類(lèi)的定義的情況下會(huì)對(duì)這些關(guān)鍵字不做處理。

對(duì)于MSVC來(lái)說(shuō)，編譯器需要知道類(lèi)的vtable在哪兒；通常就會(huì)有一個(gè)this指針的偏移量（vtordisp），這個(gè)值對(duì)所有這個(gè)類(lèi)中的成員函數(shù)來(lái)說(shuō)是不變的，但對(duì)每個(gè)類(lèi)來(lái)說(shuō)會(huì)是不同的。對(duì)于MSVC，經(jīng)調(diào)整過(guò)的this指針是在原this指針的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)下面的計(jì)算得出的：

if (vindex=0) //如果不是虛擬繼承（_virtual_inheritance）

adjustedthis = this + delta

else //如果是

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

在虛擬繼承的情況下，vtordisp的值并不保存在__virtual_inheritance指針中，而是在發(fā)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用的代碼時(shí)，編譯器才將其相應(yīng)的匯編代碼“嵌”進(jìn)去。但是對(duì)于未知類(lèi)型的繼承，編譯器需要盡可能地通過(guò)讀代碼確定它的繼承類(lèi)型，所以，編譯器將虛擬繼承指針（virtual inheritance pointer）分為兩類(lèi)（__virtual_inheritance和__unknown_inheritance）。

理論上，所有的編譯器設(shè)計(jì)者應(yīng)該在MFP（成員函數(shù)指針）的實(shí)現(xiàn)上有所變革和突破。但在實(shí)際上，這是行不通的，因?yàn)檫@使現(xiàn)在編寫(xiě)的大量代碼都需要改變。微軟曾發(fā)表了一篇非常古老的文章（http://msdn.microsoft.com/archive/en-us/dnarvc/html/jangrayhood.asp）來(lái)解釋Visual C++運(yùn)作的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。這篇文章是Jan Gray寫(xiě)的，他曾在1990年設(shè)計(jì)了Microsoft C++的對(duì)象模型。盡管這篇文章發(fā)表于1994年，但這篇文章仍然很重要——這意味著C++的對(duì)象模型在長(zhǎng)達(dá)15年的時(shí)間里（1990年到2004年）沒(méi)有絲毫改變。

現(xiàn)在，我想你對(duì)成員函數(shù)指針的事情已經(jīng)知道得太多了。要點(diǎn)是什么？我已為你建立了一個(gè)規(guī)則。雖然各種編譯器的在這方面的實(shí)現(xiàn)方法有很大的不同，但是也有一些有用的共同點(diǎn)：不管對(duì)哪種形式的類(lèi)，調(diào)用一個(gè)成員函數(shù)指針生成的匯編語(yǔ)言代碼是完全相同的。有一種特例是使用了“smallest for class”技術(shù)的非標(biāo)準(zhǔn)的編譯器，即使是這種情況，差別也是很微小的。這個(gè)事實(shí)可以讓我們繼續(xù)探索怎樣去建立高性能的委托（delegate）。

委托（delegate）

和成員函數(shù)指針不同，你不難發(fā)現(xiàn)委托的用處。最重要的，使用委托可以很容易地實(shí)現(xiàn)一個(gè)Subject/Observer設(shè)計(jì)模式的改進(jìn)版[GoF, p. 293]。Observer（觀察者）模式顯然在GUI中有很多的應(yīng)用，但我發(fā)現(xiàn)它對(duì)應(yīng)用程序核心的設(shè)計(jì)也有很大的作用。委托也可用來(lái)實(shí)現(xiàn)策略（Strategy）[GoF, p. 315]和狀態(tài)（State）[GoF, p. 305]模式。

現(xiàn)在，我來(lái)說(shuō)明一個(gè)事實(shí)，委托和成員函數(shù)指針相比并不僅僅是好用，而且比成員函數(shù)指針簡(jiǎn)單得多！既然所有的.NET語(yǔ)言都實(shí)現(xiàn)了委托，你可能會(huì)猜想如此高層的概念在匯編代碼中并不好實(shí)現(xiàn)。但事實(shí)并不是這樣：委托的實(shí)現(xiàn)確實(shí)是一個(gè)底層的概念，而且就像普通的函數(shù)調(diào)用一樣簡(jiǎn)單（并且很高效）。一個(gè)C++委托只需要包含一個(gè)this指針和一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)指針就夠了。當(dāng)你建立一個(gè)委托時(shí)，你提供這個(gè)委托一個(gè)this指針，并向它指明需要調(diào)用哪一個(gè)函數(shù)。編譯器可以在建立委托時(shí)計(jì)算出調(diào)整this指針需要的偏移量。這樣在使用委托的時(shí)候，編譯器就什么事情都不用做了。這一點(diǎn)更好的是，編譯器可以在編譯時(shí)就可以完成全部這些工作，這樣的話，委托的處理對(duì)編譯器來(lái)說(shuō)可以說(shuō)是微不足道的工作了。在x86系統(tǒng)下將委托處理成的匯編代碼就應(yīng)該是這么簡(jiǎn)單：

mov ecx, [this]

call [pfunc]

但是，在標(biāo)準(zhǔn)C++中卻不能生成如此高效的代碼。 Borland為了解決委托的問(wèn)題在它的C++編譯器中加入了一個(gè)新的關(guān)鍵字（__closure）,用來(lái)通過(guò)簡(jiǎn)潔的語(yǔ)法生成優(yōu)化的代碼。GNU編譯器也對(duì)語(yǔ)言進(jìn)行了擴(kuò)展，但和Borland的編譯器不兼容。如果你使用了這兩種語(yǔ)言擴(kuò)展中的一種，你就會(huì)限制自己只使用一個(gè)廠家的編譯器。而如果你仍然遵循標(biāo)準(zhǔn)C++的規(guī)則，你仍然可以實(shí)現(xiàn)委托，但實(shí)現(xiàn)的委托就不會(huì)是那么高效了。

有趣的是，在C#和其他.NET語(yǔ)言中，執(zhí)行一個(gè)委托的時(shí)間要比一個(gè)函數(shù)調(diào)用慢8倍（參見(jiàn)http://msdn.microsoft.com/library/en-us/dndotnet/html/fastmanagedcode.asp）。我猜測(cè)這可能是垃圾收集和.NET安全檢查的需要。最近，微軟將“統(tǒng)一事件模型（unified event model）”加入到Visual C++中，隨著這個(gè)模型的加入，增加了__event、 __raise、__hook、__unhook、event_source和event_receiver等一些關(guān)鍵字。坦白地說(shuō)，我對(duì)加入的這些特性很反感，因?yàn)檫@是完全不符合標(biāo)準(zhǔn)的，這些語(yǔ)法是丑陋的，因?yàn)樗鼈兪惯@種C++不像C++，并且會(huì)生成一堆執(zhí)行效率極低的代碼。

解決這個(gè)問(wèn)題的推動(dòng)力：對(duì)高效委托（fast delegate）的迫切需求

使用標(biāo)準(zhǔn)C++實(shí)現(xiàn)委托有一個(gè)過(guò)度臃腫的癥狀。大多數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法使用的是同一種思路。這些方法的基本觀點(diǎn)是將成員函數(shù)指針看成委托??但這樣的指針只能被一個(gè)單獨(dú)的類(lèi)使用。為了避免這種局限，你需要間接地使用另一種思路：你可以使用模版為每一個(gè)類(lèi)建立一個(gè)“成員函數(shù)調(diào)用器（member function invoker）”。委托包含了this指針和一個(gè)指向調(diào)用器（invoker）的指針，并且需要在堆上為成員函數(shù)調(diào)用器分配空間。

對(duì)于這種方案已經(jīng)有很多種實(shí)現(xiàn)，包括在CodeProject上的實(shí)現(xiàn)方案。各種實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜性上、語(yǔ)法（比如，有的和C#的語(yǔ)法很接近）上、一般性上有所不同。最具權(quán)威的一個(gè)實(shí)現(xiàn)是boost::function。最近，它已經(jīng)被采用作為下一個(gè)發(fā)布的C++標(biāo)準(zhǔn)版本中的一部分[Sutter1]。希望它能夠被廣泛地使用。

就像傳統(tǒng)的委托實(shí)現(xiàn)方法一樣，我同樣發(fā)覺(jué)這種方法并不十分另人滿意。雖然它提供了大家所期望的功能，但是會(huì)混淆一個(gè)潛在的問(wèn)題：人們?nèi)狈?duì)一個(gè)語(yǔ)言的底層的構(gòu)造。 “成員函數(shù)調(diào)用器”的代碼對(duì)幾乎所有的類(lèi)都是一樣的，在所有平臺(tái)上都出現(xiàn)這種情況是令人沮喪的。畢竟，堆被用上了。但在一些應(yīng)用場(chǎng)合下，這種新的方法仍然無(wú)法被接受。

我做的一個(gè)項(xiàng)目是離散事件模擬器，它的核心是一個(gè)事件調(diào)度程序，用來(lái)調(diào)用被模擬的對(duì)象的成員函數(shù)。大多數(shù)成員函數(shù)非常簡(jiǎn)單：它們只改變對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)，有時(shí)在事件隊(duì)列（event queue）中添加將來(lái)要發(fā)生的事件，在這種情況下最適合使用委托。但是，每一個(gè)委托只被調(diào)用（invoked）一次。一開(kāi)始，我使用了boost::function，但我發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行時(shí)，給委托所分配的內(nèi)存空間占用了整個(gè)程序空間的三分之一還要多！“我要真正的委托！”我在內(nèi)心呼喊著，“真正的委托只需要僅僅兩行匯編指令啊！”

我并不能總是能夠得到我想要的，但后來(lái)我很幸運(yùn)。我在這兒展示的代碼（代碼下載鏈接見(jiàn)譯者注）幾乎在所有編譯環(huán)境中都產(chǎn)生了優(yōu)化的匯編代碼。最重要的是，調(diào)用一個(gè)含有單個(gè)目標(biāo)的委托（single-target delegate）的速度幾乎同調(diào)用一個(gè)普通函數(shù)一樣快。實(shí)現(xiàn)這樣的代碼并沒(méi)有用到什么高深的東西，唯一的遺憾就是，為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，我的代碼和標(biāo)準(zhǔn)C++的規(guī)則有些偏離。我使用了一些有關(guān)成員函數(shù)指針的未公開(kāi)知識(shí)才使它能夠這樣工作。如果你很細(xì)心，而且不在意在少數(shù)情況下的一些編譯器相關(guān)（compiler-specific）的代碼，那么高性能的委托機(jī)制在任何C++編譯器下都是可行的。

訣竅：將任何類(lèi)型的成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的形式

我的代碼的核心是一個(gè)能夠?qū)⑷魏晤?lèi)的指針和任何成員函數(shù)指針?lè)謩e轉(zhuǎn)換為一個(gè)通用類(lèi)的指針和一個(gè)通用成員函數(shù)的指針的類(lèi)。由于C++沒(méi)有“通用成員函數(shù)（generic member function）”的類(lèi)型，所以我把所有類(lèi)型的成員函數(shù)都轉(zhuǎn)化為一個(gè)在代碼中未定義的CGenericClass類(lèi)的成員函數(shù)。

大多數(shù)編譯器對(duì)所有的成員函數(shù)指針平等地對(duì)待，不管他們屬于哪個(gè)類(lèi)。所以對(duì)這些編譯器來(lái)說(shuō)，可以使用reinterpret_cast將一個(gè)特定的成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為一個(gè)通用成員函數(shù)指針。事實(shí)上，假如編譯器不可以，那么這個(gè)編譯器是不符合標(biāo)準(zhǔn)的。對(duì)于一些接近標(biāo)準(zhǔn)（almost-compliant）的編譯器，比如Digital Mars，成員函數(shù)指針的reinterpret_cast轉(zhuǎn)換一般會(huì)涉及到一些額外的特殊代碼，當(dāng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的成員函數(shù)的類(lèi)之間沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)時(shí)，編譯器會(huì)出錯(cuò)。對(duì)這些編譯器，我們使用一個(gè)名為horrible_cast的內(nèi)聯(lián)函數(shù)（在函數(shù)中使用了一個(gè)union來(lái)避免C++的類(lèi)型檢查）。使用這種方法看來(lái)是不可避免的??boost::function也用到了這種方法。

對(duì)于其他的一些編譯器（如Visual C++, Intel C++和Borland C++），我們必須將多重（multiple-）繼承和虛擬（virtual-）繼承類(lèi)的成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為單一（single-）繼承類(lèi)的函數(shù)指針。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，我巧妙地使用了模板并利用了一個(gè)奇妙的戲法。注意，這個(gè)戲法的使用是因?yàn)檫@些編譯器并不是完全符合標(biāo)準(zhǔn)的，但是使用這個(gè)戲法得到了回報(bào)：它使這些編譯器產(chǎn)生了優(yōu)化的代碼。

既然我們知道編譯器是怎樣在內(nèi)部存儲(chǔ)成員函數(shù)指針的，并且我們知道在問(wèn)題中應(yīng)該怎樣為成員函數(shù)指針調(diào)整this指針，我們的代碼在設(shè)置委托時(shí)可以自己調(diào)整this指針。對(duì)單一繼承類(lèi)的函數(shù)指針，則不需要進(jìn)行調(diào)整；對(duì)多重繼承，則只需要一次加法就可完成調(diào)整；對(duì)虛擬繼承...就有些麻煩了。但是這樣做是管用的，并且在大多數(shù)情況下，所有的工作都在編譯時(shí)完成！

這是最后一個(gè)訣竅。我們?cè)鯓訁^(qū)分不同的繼承類(lèi)型？并沒(méi)有官方的方法來(lái)讓我們區(qū)分一個(gè)類(lèi)是多重繼承的還是其他類(lèi)型的繼承。但是有一種巧妙的方法，你可以查看我在前面給出了一個(gè)列表（見(jiàn)中篇）——對(duì)MSVC，每種繼承方式產(chǎn)生的成員函數(shù)指針的大小是不同的。所以，我們可以基于成員函數(shù)指針的大小使用模版！比如對(duì)多重繼承類(lèi)型來(lái)說(shuō)，這只是個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算。而在確定unknown_inheritance（16字節(jié)）類(lèi)型的時(shí)候，也會(huì)采用類(lèi)似的計(jì)算方法。

對(duì)于微軟和英特爾的編譯器中采用不標(biāo)準(zhǔn)12字節(jié)的虛擬繼承類(lèi)型的指針的情況，我引發(fā)了一個(gè)編譯時(shí)錯(cuò)誤（compile-time error），因?yàn)樾枰粋€(gè)特定的運(yùn)行環(huán)境（workaround）。如果你在MSVC中使用虛擬繼承，要在聲明類(lèi)之前使用FASTDELEGATEDECLARE宏。而這個(gè)類(lèi)必須使用unknown_inheritance（未知繼承類(lèi)型）指針（這相當(dāng)于一個(gè)假定的__unknown_inheritance關(guān)鍵字）。例如：

FASTDELEGATEDECLARE(CDerivedClass)

class CDerivedClass : virtual public CBaseClass1, virtual public CBaseClass2 {

// : (etc)

};

這個(gè)宏和一些常數(shù)的聲明是在一個(gè)隱藏的命名空間中實(shí)現(xiàn)的，這樣在其他編譯器中使用時(shí)也是安全的。MSVC（7.0或更新版本）的另一種方法是在工程中使用/vmg編譯器選項(xiàng)。而Inter的編譯器對(duì)/vmg編譯器選項(xiàng)不起作用，所以你必須在虛擬繼承類(lèi)中使用宏。我的這個(gè)代碼是因?yàn)榫幾g器的bug才可以正確運(yùn)行，你可以查看代碼來(lái)了解更多細(xì)節(jié)。而在遵從標(biāo)準(zhǔn)的編譯器中不需要注意這么多，況且在任何情況下都不會(huì)妨礙FASTDELEGATEDECLARE宏的使用。

一旦你將類(lèi)的對(duì)象指針和成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)形式，實(shí)現(xiàn)單一目標(biāo)的委托（single-target delegate）就比較容易了（雖然做起來(lái)感覺(jué)冗長(zhǎng)乏味）。你只要為每一種具有不同參數(shù)的函數(shù)制作相應(yīng)的模板類(lèi)就行了。實(shí)現(xiàn)其他類(lèi)型的委托的代碼也大都與此相似，只是對(duì)參數(shù)稍做修改罷了。

這種用非標(biāo)準(zhǔn)方式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的委托還有一個(gè)好處，就是委托對(duì)象之間可以用等式比較。目前實(shí)現(xiàn)的大多數(shù)委托無(wú)法做到這一點(diǎn)，這使這些委托不能勝任一些特定的任務(wù)，比如實(shí)現(xiàn)多播委托（multi-cast delegates） [Sutter3]。

靜態(tài)函數(shù)作為委托目標(biāo)（delegate target）

理論上，一個(gè)簡(jiǎn)單的非成員函數(shù)（non-member function），或者一個(gè)靜態(tài)成員函數(shù)（static member function）可以被作為委托目標(biāo)（delegate target）。這可以通過(guò)將靜態(tài)函數(shù)轉(zhuǎn)換為一個(gè)成員函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。我有兩種方法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，兩種方法都是通過(guò)使委托指向調(diào)用這個(gè)靜態(tài)函數(shù)的“調(diào)用器（invoker）”的成員函數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

第一種方法使用了一個(gè)邪惡的方法（evil method）。你可以存儲(chǔ)函數(shù)指針而不是this指針，這樣當(dāng)調(diào)用“調(diào)用器”的函數(shù)時(shí)，它將this指針轉(zhuǎn)化為一個(gè)靜態(tài)函數(shù)指針，并調(diào)用這個(gè)靜態(tài)函數(shù)。問(wèn)題是這只是一個(gè)戲法，它需要在代碼指針和數(shù)據(jù)指針之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在一個(gè)系統(tǒng)中代碼指針的大小比數(shù)據(jù)指針大時(shí)（比如DOS下的編譯器使用medium內(nèi)存模式時(shí)），這個(gè)方法就不管用了。它在目前我知道的所有32位和64位處理器上是管用的。但是因?yàn)檫@種方法還是不太好，所以仍需要改進(jìn)。

另一種是一個(gè)比較安全的方法（safe method），它是將函數(shù)指針作為委托的一個(gè)附加成員。委托指向自己的成員函數(shù)。當(dāng)委托被復(fù)制的時(shí)候，這些自引用（self-reference）必須被轉(zhuǎn)換，而且使“=”和“==”運(yùn)算符的操作變得復(fù)雜。這使委托的大小增至4個(gè)字節(jié)，并增加了代碼的復(fù)雜性，但這并不影響委托的調(diào)用速度。

我已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上述兩種方法，兩者都有各自的優(yōu)點(diǎn)：安全的方法保證了運(yùn)行的可靠性，而邪惡的方法在支持委托的編譯器下也可能會(huì)產(chǎn)生與此相同的匯編代碼。此外，安全的方法可避免我以前討論的在MSVC中使用多重繼承和虛擬繼承時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題。我在代碼中給出的是“安全的方法”的代碼，但是在我給出的代碼中“邪惡的方法”會(huì)通過(guò)下面的代碼生效：

#define (FASTDELEGATE_USESTATICFUNCTIONHACK)

多目標(biāo)委托（multiple-target delegate）及其擴(kuò)展

使用委托的人可能會(huì)想使委托調(diào)用多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，這就是多目標(biāo)委托（multiple-target delegate），也稱(chēng)作多播委托（multi-cast delegate）。實(shí)現(xiàn)這種委托不會(huì)降低單一目標(biāo)委托（single-target delegate）的調(diào)用效率，這在現(xiàn)實(shí)中是可行的。你只需要為一個(gè)委托的第二個(gè)目標(biāo)和后來(lái)的更多目標(biāo)在堆上分配空間就可以了，這意味著需要在委托類(lèi)中添加一個(gè)數(shù)據(jù)指針，用來(lái)指向由該委托的目標(biāo)函數(shù)組成的單鏈表的頭部節(jié)點(diǎn)。如果委托只有一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，將這個(gè)目標(biāo)像以前介紹的方法一樣保存在委托中就行了。如果一個(gè)委托有多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，那么這些目標(biāo)都保存在空間動(dòng)態(tài)分配的鏈表中，如果要調(diào)用函數(shù)，委托使用一個(gè)指針指向一個(gè)鏈表中的目標(biāo)（成員函數(shù)指針）。這樣的話，如果委托中只有一個(gè)目標(biāo)，函數(shù)調(diào)用存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)為1；如果有n（n>0）個(gè)目標(biāo)，則函數(shù)調(diào)用存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)為n+1（因?yàn)檫@時(shí)函數(shù)指針保存在鏈表中，會(huì)多出一個(gè)鏈表頭，所以要再加一——譯者注），我認(rèn)為這樣做最合理。

由多播委托引出了一些問(wèn)題。怎樣處理返回值？（是將所有返回值類(lèi)型捆綁在一起，還是忽略一部分？）如果把同一個(gè)目標(biāo)在一個(gè)委托中添加了兩次那會(huì)發(fā)生什么？（是調(diào)用同一個(gè)目標(biāo)兩次，還是只調(diào)用一次，還是作為一個(gè)錯(cuò)誤處理？）如果你想在委托中刪除一個(gè)不在其中的目標(biāo)應(yīng)該怎么辦？（是不管它，還是拋出一個(gè)異常？）

最重要的問(wèn)題是在使用委托時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)限循環(huán)的情況，比如，A委托調(diào)用一段代碼，而在這段代碼中調(diào)用B委托，而在B委托調(diào)用的一段代碼中又會(huì)調(diào)用A委托。很多事件（event）和信號(hào)跟蹤（signal-slot）系統(tǒng)會(huì)有一定的方案來(lái)處理這種問(wèn)題。

為了結(jié)束我的這篇文章，我的多播委托的實(shí)現(xiàn)方案就需要大家等待了。這可以借鑒其他實(shí)現(xiàn)中的方法——允許非空返回類(lèi)型，允許類(lèi)型的隱式轉(zhuǎn)換，并使用更簡(jiǎn)捷的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)。如果我有足夠的興趣我會(huì)把代碼寫(xiě)出來(lái)。如果能把我實(shí)現(xiàn)的委托和目前流行的某一個(gè)事件處理系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)那會(huì)是最好不過(guò)的事情了（有自愿者嗎？）。

本文代碼的使用

原代碼包括了FastDelegate的實(shí)現(xiàn)（FastDelegate.h）和一個(gè)demo .cpp的文件用來(lái)展示使用FastDelegate的語(yǔ)法。對(duì)于使用MSVC的讀者，你可以建立一個(gè)空的控制臺(tái)應(yīng)用程序(Console Application)的工程，再把這兩個(gè)文件添加進(jìn)去就好了，對(duì)于GNU的使用者，在命令行輸入“gcc demo.cpp”就可以了。

FastDelegate可以在任何參數(shù)組合下運(yùn)行，我建議你在盡可能多的編譯器下嘗試，你在聲明委托的時(shí)候必須指明參數(shù)的個(gè)數(shù)。在這個(gè)程序中最多可以使用8個(gè)參數(shù)，若想進(jìn)行擴(kuò)充也是很容易的。代碼使用了fastdelegate命名空間，在fastdelegate命名空間中有一個(gè)名為detail的內(nèi)部命名空間。

Fastdelegate使用構(gòu)造函數(shù)或bind()可以綁定一個(gè)成員函數(shù)或一個(gè)靜態(tài)（全局）函數(shù)，在默認(rèn)情況下，綁定的值為0（空函數(shù)）。可以使用“！”操作符判定它是一個(gè)空值。

不像用其他方法實(shí)現(xiàn)的委托，這個(gè)委托支持等式運(yùn)算符（==, !=）。

下面是FastDelegateDemo.cpp的節(jié)選，它展示了大多數(shù)允許的操作。CBaseClass是CDerivedClass的虛基類(lèi)。你可以根據(jù)這個(gè)代碼寫(xiě)出更精彩的代碼，下面的代碼只是說(shuō)明使用FastDelegate的語(yǔ)法：

using namespace fastdelegate;

int main(void)

{

printf("-- FastDelegate demo -- A no-parameter

delegate is declared using FastDelegate0 ");

FastDelegate0 noparameterdelegate(&SimpleVoidFunction);

noparameterdelegate();

//調(diào)用委托，這一句調(diào)用SimpleVoidFunction()

printf(" -- Examples using two-parameter delegates (int, char *) -- ");

typedef FastDelegate2 MyDelegate;

MyDelegate funclist[12]; // 委托初始化，其目標(biāo)為空

CBaseClass a("Base A");

CBaseClass b("Base B");

CDerivedClass d;

CDerivedClass c;

// 綁定一個(gè)成員函數(shù)

funclist[0].bind(&a, &CBaseClass::SimpleMemberFunction);

//你也可以綁定一個(gè)靜態(tài)（全局）函數(shù)

funclist[1].bind(&SimpleStaticFunction);

//綁定靜態(tài)成員函數(shù)

funclist[2].bind(&CBaseClass::StaticMemberFunction);

// 綁定const型的成員函數(shù)

funclist[3].bind(&a, &CBaseClass::ConstMemberFunction);

// 綁定虛擬成員函數(shù)

funclist[4].bind(&b, &CBaseClass::SimpleVirtualFunction);

// 你可以使用”=”來(lái)賦值

funclist[5] = MyDelegate(&CBaseClass::StaticMemberFunction);

funclist[6].bind(&d, &CBaseClass::SimpleVirtualFunction);

//最麻煩的情況是綁定一個(gè)抽象虛擬函數(shù)（abstract virtual function）

funclist[7].bind(&c, &CDerivedClass::SimpleDerivedFunction);

funclist[8].bind(&c, &COtherClass::TrickyVirtualFunction);

funclist[9] = MakeDelegate(&c, &CDerivedClass::SimpleDerivedFunction);

// 你也可以使用構(gòu)造函數(shù)來(lái)綁定

MyDelegate dg(&b, &CBaseClass::SimpleVirtualFunction);

char *msg = "Looking for equal delegate";

for (int i=0; i<12; i++) {

printf("%d :", i);

// 可以使用”==”

if (funclist[i]==dg) { msg = "Found equal delegate"; };

//可以使用”!”來(lái)判應(yīng)一個(gè)空委托

if (!funclist[i]) {

printf("Delegate is empty ");

} else {

// 調(diào)用生成的經(jīng)過(guò)優(yōu)化的匯編代碼

funclist[i](i, msg);

};

}

};

因?yàn)槲业拇a利用了C++標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有定義的行為，所以我很小心地在很多編譯器中做了測(cè)試。具有諷刺意味的是，它比許多所謂標(biāo)準(zhǔn)的代碼更具有可移植性，因?yàn)閹缀跛械木幾g器都不是完全符合標(biāo)準(zhǔn)的。目前，核心代碼已成功通過(guò)了下列編譯器的測(cè)試：

• Microsoft Visual C++ 6.0, 7.0 (.NET) and 7.1 (.NET 2003) (including /clr 'managed C++'),
• GNU G++ 3.2 (MingW binaries),
• Borland C++ Builder

  對(duì)于Comeau C++ 4.3 (x86, SPARC, Alpha, Macintosh)，能夠成功通過(guò)編譯，但不能鏈接和運(yùn)行。對(duì)于Intel C++ 8.0 for Itanium能夠成功通過(guò)編譯和鏈接，但不能運(yùn)行。

  此外，我已對(duì)代碼在MSVC 1.5 和4.0，Open Watcom WCL 1.2上的運(yùn)行情況進(jìn)行了測(cè)試，由于這些編譯器不支持成員函數(shù)模版，所以對(duì)這些編譯器，代碼不能編譯成功。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)不支持模版的限制，需要對(duì)代碼進(jìn)行大范圍的修改。（這一段是在剛剛更新的原文中添加的——譯者注）

  而最終的FastDelegate并沒(méi)有進(jìn)行全面地測(cè)試，一個(gè)原因是，我有一些使用的編譯器的評(píng)估版過(guò)期了，另一個(gè)原因是——我的女兒出生了！如果有足夠的興趣，我會(huì)讓代碼在更多編譯器中通過(guò)測(cè)試。(這一段在剛剛更新的原文中被刪去了，因?yàn)樽髡吣壳皫缀跬瓿闪巳繙y(cè)試。——譯者注)

   

  總結(jié)

  為了解釋一小段代碼，我就得為這個(gè)語(yǔ)言中具有爭(zhēng)議的一部分寫(xiě)這么一篇長(zhǎng)長(zhǎng)的指南。為了兩行匯編代碼，就要做如此麻煩的工作。唉~！

  我希望我已經(jīng)澄清了有關(guān)成員函數(shù)指針和委托的誤解。我們可以看到為了實(shí)現(xiàn)成員函數(shù)指針，各種編譯器有著千差萬(wàn)別的方法。我們還可以看到，與流行的觀點(diǎn)不同，委托并不復(fù)雜，并不是高層結(jié)構(gòu)，事實(shí)上它很簡(jiǎn)單。我希望它能夠成為這個(gè)語(yǔ)言（標(biāo)準(zhǔn)C++）中的一部分，而且我們有理由相信目前已被一些編譯器支持的委托，在不久的將來(lái)會(huì)加入到標(biāo)準(zhǔn)C++的新的版本中（去游說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)！）。

  據(jù)我所知，以前實(shí)現(xiàn)的委托都沒(méi)有像我在這里為大家展示的FastDelegate一樣有如此高的性能。我希望我的代碼能對(duì)你有幫助。如果我有足夠的興趣，我會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行擴(kuò)展，從而支持多播委托（multi-cast delegate）以及更多類(lèi)型的委托。我在CodeProject上學(xué)到了很多，并且這是我第一次為之做出的貢獻(xiàn)。

   

  參考文獻(xiàn)

  [GoF] "Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software", E. Gamma, R. Helm, R. Johnson, and J. Vlissides.

  I've looked at dozens of websites while researching this article. Here are a few of the most interesting ones:

  我在寫(xiě)這篇文章時(shí)查看了很多站點(diǎn)，下面只是最有趣的一些站點(diǎn)：

  [Boost] Delegates can be implemented with a combination of boost::function and boost::bind. Boost::signals is one of the most sophisticated event/messaging system available. Most of the boost libraries require a highly standards-conforming compiler. （http://www.boost.org/）

  [Loki] Loki provides 'functors' which are delegates with bindable parameters. They are very similar to boost::function. It's likely that Loki will eventually merge with boost. （http://sourceforge.net/projects/loki-lib）

  [Qt] The Qt library includes a Signal/Slot mechanism (i.e., delegates). For this to work, you have to run a special preprocessor on your code before compiling. Performance is very poor, but it works on compilers with very poor template support. （http://doc.trolltech.com/3.0/signalsandslots.html）

  [Libsigc++] An event system based on Qt's. It avoids the Qt's special preprocessor, but requires that every target be derived from a base object class (using virtual inheritance - yuck!). （http://libsigc.sourceforge.net/）

  [Hickey]. An old (1994) delegate implementation that avoids memory allocations. Assumes that all pointer-to-member functions are the same size, so it doesn't work on MSVC. There's a helpful discussion of the code here. （http://www.tutok.sk/fastgl/callback.html）

  [Haendal]. A website dedicated to function pointers?! Not much detail about member function pointers though. （http://www.function-pointer.org/）

  [Sutter1] Generalized function pointers: a discussion of how boost::function has been accepted into the new C++ standard. （http://www.cuj.com/documents/s=8464/cujcexp0308sutter/）

  [Sutter2] Generalizing the Observer pattern (essentially, multicast delegates) using std::tr1::function. Discusses the limitations of the failure of boost::function to provide operator ==.

  （http://www.cuj.com/documents/s=8840/cujexp0309sutter）

  [Sutter3] Herb Sutter's Guru of the Week article on generic callbacks. （http://www.gotw.ca/gotw/083.htm）

   

  關(guān)于作者Don Clugston

  我在澳大利亞的high-tech startup工作，是一個(gè)物理學(xué)家兼軟件工程師。目前從事將太陽(yáng)航空艙的硅質(zhì)晶體玻璃（CSG）薄膜向市場(chǎng)推廣的工作。我從事有關(guān)太陽(yáng)的（solar）研究，平時(shí)喜歡做一些軟件（用作數(shù)學(xué)模型、設(shè)備控制、離散事件觸發(fā)器和圖象處理等），我最近喜歡使用STL和WTL寫(xiě)代碼。我非常懷念過(guò)去的光榮歲月：）而最重要的，我有一個(gè)非常可愛(ài)的兒子（2002年5月出生）和一個(gè)非常年輕的小姐（2004年5月出生）。

  “黑暗不會(huì)戰(zhàn)勝陽(yáng)光，陽(yáng)光終究會(huì)照亮黑暗。”

  譯者注

  由于本文剛發(fā)表不久，作者隨時(shí)都有可能對(duì)文章或代碼進(jìn)行更新，若要瀏覽作者對(duì)本文的最新內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：

  http://www.codeproject.com/cpp/FastDelegate.asp

  點(diǎn)擊以下鏈接下載FastDelegate的源代碼：

  http://www.codeproject.com/cpp/FastDelegate/FastDelegate_src.zip