C++如何处理内联虚函数

魔鬼天使

当一个函数是内联和虚函数时，会发生代码替换或使用虚表调用吗？ 为了弄清楚内联和虚函数，让我们将它们分开来考虑。通常，一个内联函数是被展开的。

1.         class CFoo {
   
2. 
   
3.         private:
   
4. 
   
5.             int val;
   
6. 
   
7.         public:
   
8. 
   
9.          int GetVal() { return val; }
   
10. 
    
11.          int SetVal(int v) { return val=v; }
    
12. 
    
13.         };        
    

复制代码

这里，如果使用下列代码：

1.         CFoo x;
   
2. 
   
3.         x.SetVal(17);
   
4. 
   
5.         int y = x.GetVal();  
   

复制代码

那么编译器产生的目标代码将与下面的代码段一样：

1.         CFoo x;
   
2. 
   
3.         x.val = 17;
   
4. 
   
5.         int y = x.val;  
   

复制代码

你当然不能这么做，因为val是个私有变量。内联函数的优点是不用函数调用就能隐藏数据，仅此而已。

虚函数有多态性，意味着派生的类能实现相同的函数，但功能却不同。假设 GetVal 被声明为虚函数，并且你有第二个以不同方法实现的类 CFoo2：

1.         class CFoo2 : public CFoo {
   
2. 
   
3.         public:
   
4. 
   
5.         // virtual in base class too!
   
6. 
   
7.         virtual int CFoo2::GetVal() { return someOtherVal; }
   
8. 
   
9.         };
   

复制代码

如果 pFoo是一个 CFoo 或 CFoo2 指针，那么，无论 pFoo 指向哪个类 CFoo 或 CFoo2，成员函数 pFoo->GetVal 都能调用成功。

如果一个函数既是虚拟函数，又是内联函数，会是什么情况呢？记住，有两种方式建立内联函数，

第一种是在函数定义中使用关键字 inline，如：

1. inline CFoo::GetVal() { return val; }   

复制代码

第二种是在类的声明中编写函数体，就象前面的 CFoo2::GetVal 一样。所以如果将虚函数体包含在类的声明中，如：

1.         class CFoo {
   
2. 
   
3.         public:
   
4. 
   
5.         virtual int GetVal() { return val; }
   
6. 
   
7.         };        
   

复制代码

编译器便认为这个函数 GetVal 是内联的，同时也是虚拟的。那么，多态性和内联特性如何同时工作呢？

编译器遵循的第一个规则是无论发生什么事情，多态性必须起作用。如果有一个指向 CFoo 对象的指针，pFoo->GetVal 被保证去调用正确的函数。一般情况下，这就是说函数 GetVal 将被实例化为非内联函数，并有vtable（虚表）入口指向它们。但这并不意味着这个函数不能被扩展！再看看下面的代码：

1.         CFoo x;
   
2. 
   
3.         x.SetVal(17)
   
4. 
   
5.         int y = x.GetVal()  
   

复制代码

编译器知道x是 CFoo,而不是CFoo2，因为这个堆对象是被显式声明的。x肯定不会是CFoo2。所以展开 SetVal/GetVal 内联是安全的。如果要写更多的复杂代码：

1. CFoo x;
   
2. 
   
3. CFoo* pfoo=&x;
   
4. 
   
5. pfoo->SetVal(17);
   
6. 
   
7. int y = pfoo->GetVal();
   
8. 
   
9. ...
   
10. 
    
11. CFoo2 x2;
    
12. 
    
13. pfoo = &x2;
    
14. 
    
15. pfoo->SetVal(17); //etc.
    

复制代码

编译器知道 pfoo 第一次指向x，第二次指向x2，所以展开虚拟函数也是安全的。

你还可以编写更复杂的代码，其中，pfoo 所指的对象类型总是透明的，但是大多数编译器不会做任何更多的分析。即使在前面的例子中，某些编译器将会安全运行，实例化并通过一个虚表来调用。实际上，编译器总是忽略内联需要并总是使用虚表。唯一绝对的规则是代码必须工作；也就是说，虚函数必须有多态行为。

通常，无论是显式还是隐式内联，它只是一个提示而已，并非是必须的，就象寄存器一样。编译器完全能拒绝展开一个非虚内联函数，C++编译器常常首先会报错：“内联中断-函数太大”。如果内联函数调用自身，或者你在某处传递其地址，编译器必须产生一个正常（外联？）函数。内联函数在DEBUG BUILDS中不被展开，可设置编译选项来预防。

要想知道编译器正在做什么，唯一的方法是看它产生的代码。对于微软的编译器来说，你可以用-FA编译选项产生汇编清单。你不必知道汇编程序如何做。我鼓励你完成这个实验；这对于了解机器实际所做的事情机器有益，同时你可学习许多汇编列表中的内容。

有关内联函数的东西比你第一次接触它时要复杂得多。有许多种情况强迫编译器产生正常函数：递归，获取函数地址，太大的那些函数和虚函数。但是如果编译器决定实例化你的内联函数，就要考虑把函数放在什么地方？它进入哪个模块？

通常类在头文件中声明，所以如果某个cpp包含foo.h，并且编译器决定实例化CFoo::GetVal，则在cpp文件中将它实例化成一个静态函数。如果十个模块包含foo.h，编译器产生的虚函数拷贝就有十个。实际上，可以用虚表指向不同类型的GetVal拷贝，从而是相同类型的对象只产生拷贝。一些链接器能巧妙地在链接时排除冗余，但一般你是不能指望他来保证的。

我们得出的结论是：最好不要使用内联虚函数，因为它们几乎不会被展开，即便你的函数只有一行，你最好还是将它与其它的类函数一起放在模块（cpp文件）中。当然，开发者常常将简短的虚函数放在类声明中-不是因为他们希望这个函数被展开为内联，而是因为这样做更方便和可读性更强。