C++虚指针实现及效率

单继承虚函数例子

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;
};

1. Vtable和VPTR结构

虚函数的实现是通过VTable和vptr。每一个带有虚函数的类都有一个VTable，在编译器生成，每一个带有虚函数的类实例都有一个vptr，该类实例vptr指向该类的VTable，在运行期生成。

如图左部的类实例内存结构，编译器为之生成__vptr__Point的指针，指向该类的VTable。

VTable的结构是一个函数指针数组，数组的每个元素是一个函数指针，指向该类虚函数的地址。因为基类Point的Point::mult()为纯虚函数，因此Point对应的mult函数指针指向一个pure_virtual_called()，抛出调用纯虚函数错误。

如图VTable所示，Point类和其子类的析构函数均在VTable[1]，mult在VTable[2]，y在VTable[3]，z在VTable[4]。如果Point2d增加Point2d自己的虚函数，同时Point3d继承Point2d的虚函数，他们相同的虚函数接口同样对应于相同的VTable数组下标，如VTable[5]，此由编译器保证，因而编译器对于虚函数接口能将其转换为函数指针数组的下标。

故，当调用

ptr->z();

编译器实际调用的是：

( *ptr->vptr[ 4 ] )( ptr );

从而可以找到ptr实际指向的VTable中的虚函数调用地址。

1. 虚函数系统开销

为了实现虚函数，编译器产生的操作包括：

1. 编译期，为每一个类增加一个VTable函数指针数组，并使其指向正确的虚函数实现。

2. 运行期，在类的构造函数中，为每一个类实例增加一个vptr，指向该类的VTable。

3. 编译器，将虚函数调用编译为函数指针的调用。

4. 运行期，在虚函数调用时，通过指向VTable和调用函数的index，查找函数指针(查找效率为数组随机访问，常数时间)，调用虚函数。

由分析得，虚函数开销主要在编译期的VTable函数指针数组的构造，而运行期的函数指针查找不是性能瓶颈。同时，一个带虚函数的基类无论有多少个孩子类，并不会降低虚函数性能，而如果类的继承层次太深，底层类实例的构造函数则需要为类继承层次的每一层父类初始化vptr，效率降低。

1. 虚函数系统性能测试

   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是比较的两个编译器版本，对于上述计算函数的测试，虚函数的调用开销主要是3.4虚表查询，虚函数调用损失了4% 到11%的运行时间。相对于IO操作，可以忽略。