C++標准編程：虛函數與內聯

　　我們曾經在討論C++的時候，經常會問到：“虛函數能被聲明為內聯嗎?”現在，我們幾乎聽不到這個問題了。現在聽到的是：“你不應該使print成為內聯的。聲明一個虛函數為內聯是錯誤的!”

　　這種說法的兩個主要的原因是(1)虛函數是在運行期決議而內聯是一個編譯期動作，所以，我們將虛函數聲明為內聯並得不到什麼效果;(2)聲明一個虛函數為內聯導致了函數的多分拷貝，而且我們為一個不應該在任何時候內聯的函數白白花費了存儲空間。這樣做很沒腦子。

　　不過，事實並不是這樣。我們先來看看第一個：許多情況下，虛擬函數都被靜態地決議了——比如在派生類虛擬函數中調用基類的虛擬函數的時候。為什麼這樣做呢?封裝。一個比較明顯的例子就是派生類析構函數調用鏈。所有的虛析構函數，除了最初觸發這個析構鏈的虛析構函數，都被靜態的決議了。如果不將基類的虛析構函數內聯，我們無法從中獲利[a]。這和不內聯一個虛擬析構函數有什麼不同嗎?如果繼承體系層次比較深並且有許多這樣的類的實例要被銷毀的話，答案是肯定的。

　　再來看另外一個不用析構函數的例子，想象一下設計一個圖書館類。我們將MaterialLocation作為抽象類LibraryMaterial的一個成員。將它的print成員函數聲明為一個純虛函數，並且提供函數定義：它輸出MaterialLocation。

　　class LibraryMaterial {

　　private:

　　MaterialLocation _loc; // shared data

　　// …

　　public:

　　// declares pure virtual function

　　inline virtual void print( ostream& = cout ) = 0;

　　};

　　// we actually want to encapsulate the handling of the

　　// location of the material within a base class

　　// LibraryMaterial print() method - we just don’t want it

　　// invoked through the virtual interface. That is, it is

　　// only to be invoked within a derived class print() method

　　inline void

　　LibraryMaterial::

　　print( ostream &os ) { os 《 _loc; }

　　接著，我們引入一個Book類，它的print函數輸出Title, Author等等。在這之前，它調用基類的print函數(LibraryMaterial::print())來顯示書本位置(MaterialLocation)。如下：

　　inline void

　　Book::

　　print( ostream &os )

　　{

　　// ok, this is resolved statically,

　　// and therefore is inline expanded …

　　LibraryMaterial::print();

　　os 《 "title:" 《 _title

　　《 "author" 《 _author 《 endl;

　　}

　　AudioBook類，派生於Book類，並加入附加信息，比如旁述，音頻格式等等。這些東西都用它的print函數輸出。再這之前，我們需要調用Book::print()來顯示前面的信息。

　　inline void

　　AudioBook::

　　print( ostream &os )

　　{

　　// ok, this is resolved statically,

　　// and therefore is inline expanded …

　　Book::print();

　　os 《 "narrator:" 《 _narrator 《 endl;

　　}

　　這和虛析構函數調用鏈的例子一樣，都只是最初調用的虛函數沒有被靜態決議，其它的都被原地展開。This unnamed hierarchical design pattern is significantly less effective if we never declare a virtual function to be inline.

　　那麼對於第二個原因中代碼膨脹的問題呢?我們來分析一下，如果我們寫下：

　　LibraryMaterial *p =

　　new AudioBook( "Mason & Dixon",

　　"Thomas Pynchon", "Johnny Depp" );

　　// …

　　p->print();

　　這個print實例是內聯的嗎?不，當然不是。這樣不得不通過虛擬機制在運行期決議。這讓print實例放棄了對它的內聯聲明了嗎?也不是。這個調用轉換為下面的形式(偽代碼)：

　　// Pseudo C++ Code

　　// Possible transformation of p->print()

　　( *p->_vptr[ 2 ] )( p );

　　where 2 represents the location of print within the associated virtual function table.因為調用print是通過函數指針_vptr[2]進行的，所以，編譯器不能靜態的決定這個調用地址，並且，這個函數也不能內聯。

　　當然，虛函數print的內聯實體(definition)也必須在某個地方表現出來。 即是說，至少有一個函數實體是在virtual table調用的地址原地展開的。編譯器是如何決定在何時展開這個函數實體呢?其中一個編譯(implementaion)策略是當virtual table生成的同時，生成這個函數實體。這就是說對於每一個派生類的virtual table都會生成一個函數實體。

　　在一個可應用的類[b]中有多少vitrual table會被生成呢?呵呵，這是一個好問題。C++標准中對虛函數行為進行了規定，但是沒有對函數實現進行規定。由於virtual table沒有在C++標准中進行規定，很明顯，究竟這個virtual table怎樣生成，和究竟要生成多少個vitrual table也沒有規定。多少個?當然，我們只要一個。Stroustrup的cfront編譯器，很巧妙的處理了這些情況。( Stan and Andy Koenig described the algorithm in the March 1990 C++ Report article, "Optimizing Virtual Tables in C++ Release 2.0.")

　　Moreover, the C++ Standard now requires that inline functions behave as though only one definition for an inline function exists in the program even though the function may be defined in different files。新的規則要求編譯器只展開一個內聯虛函數。如果一點被廣泛采用的話，虛函數的內聯導致的代碼膨脹問題就會消失。

　　[譯注：C++ Standard: 9.3.8, Member function of local class shall be defined inline in their class defination, if they are defined at all]

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　　譯注：

　　[a]函數調用開銷，調用基類虛函數的時候至少要經過兩次間接過程(S. B.Lippman: 《Inside the C++ Object Model》)

　　[b]一個產品類(?)

　　總結：

　　就是虛函數inline在調用鏈等地方很有用~

　　即使沒有加入inline聲明，作為一個好編譯器，都會優化(虛析構函數)

　　在很長的函數調用鏈中，最好將鏈中基類的函數inline，這樣節約開銷

　　至於在什麼地方inline，由編譯器決定，因為C++標准沒有規定

　　新C++標准(可能沒有通過)中，規定了，inline化只對產品類有效，且只動作一次

　　保證代碼不過度膨脹

　　inline動作是在產品類實例化同時，和vtable生成一起。