Function 语意学

概述

在前面文章《C++对象模型》可以知道，class 中成员函数的类型有：nonstatic member function、static member function、virtual member function；不同类型的成员函数的调用会有不同的表现，以下对每一种类型的成员函数进行简单的分析。

nonstatic member functions

为了使 nonstatic member function 能够与非成员函数具有相同的效率，C++ 编译器内部将 nonstatic member function 转换为非成员函数，转换的步骤如下：

1. 改写函数的 signature（函数原型）以添加一个 this 指针；
2. 通过 this 指针存取操作 nonstatic data member；
3. 将成员函数经过名称特殊处理转换为非成员函数；

例如：

class example{
public:
    void func();
};
/* 其中成员函数 func() 会被编译器内部转换为 void func(example *this)*/
           

Static member functions

Static member function 和 nonstatic member function 一样会被编译器内部转换为非成员函数，区别是转换后不存在 this 指针，因此和全局函数一样，可以做 callback 函数。Static member function 有以下的特性：

1. 不能直接存取其 class 中的 nonstatic member；
2. 不能被声明为 const、volatile 或 virtual；
3. 一般不需要经由 class object 调用；

virtual member function

独立的 class

在独立的 class 中 virtual member function 的调用有两种方式：指针调用 和 对象调用。例如：

class A {
    virtual void func();
};
A a；
A *pA;
a.func();
pA->func();
           

用指针调用

pA->func()

在编译器内部被转换为

( * pA->vptr[1])(pA)

；

用对象调用

a.func()

在内部被当作和非虚拟成员函数一样处理，即转换为

A::func(&a)

；所以 virtual 可以inline，在用对象调用的情况下inline 被展开。

单一继承的 class

具有 virtual member function 的 class，编译器对其产生一个 vtable， 把指向虚函数地址的指针放在该表格中；继承含有 virtual member function 类的派生类具有以下的特性：

1. 保留 base class 中每个 virtual function 的指针在 vtable 中的索引值及其顺序；
2. 若 derived class 改写了该 virtual function，则在表格中对应的项上用新函数的地址替换原来函数的地址；
3. 当 derived class 增加新的虚函数，新的虚函数的地址放在 vtable 中靠后的地方，并不影响表格中已有函数的次序；

多重继承的 class

像单继承一样，用基类的指针或引用只能访问基类中定义（或继承）的成员，不能访问派生类中引入的成员。当一个类继承于多个基类的时候，那些基类之间没有隐含的关系，不允许使用一个基类的指针访问其他基类的成员。

在多重继承的 virtual function 机制中，其复杂度围绕在第二个及后继的 base class 中，以及在执行期间调整 this 指针；一般规则经由指向第二或后继 base class 的指针或引用来调用 derived class virtual function。

虚继承的 class

在虚继承下，对给定虚基类，无论该类在派生层次中作为虚基类出现多少次，只继承一个共享的基类子对象。共享的基类子对象称为虚基类。

指向成员函数的指针

class A {
    void func();
    virtual void x();
};
           

对非虚函数

void func()

，取它的指针得到的是函数的实际地址(即绑定在某个 class object 的地址)，如：

void (A::*pfunc) () = &A::func;

；

对虚函数

virtual void x()

，取它的地址得到的是

x

在

class A

的 vtable 中的索引值，如:

viod (A::*pfunc) () = &A::x

;

使用 class object 或指向class object 的指针来调用，即用

a.*pfunc()

或

pa->*pfunc()

调用；

Inline Function

当我们在 class 中定义 inline function 时，编译器会根据函数的复杂程度决定是否真正定义为 inline 类型，对不能真正定义为 inline function 的请求，编译器可能把它们处理为 static member function；真正的 inline function 的扩展操作是在调用的那一点上，这会带来参数的求值操作以及临时性对象的管理；