为啥即使不涉及虚函数，虚继承也需要vtable？

Posted 2023-02-21

【中文标题】为啥即使不涉及虚函数，虚继承也需要vtable？

【英文标题】：Why does virtual inheritance need a vtable even if no virtual functions are involved?为什么即使不涉及虚函数，虚继承也需要vtable？

【发布时间】：2019-12-20 07:35:25

【问题描述】：

我读到了这个问题：C++ Virtual class inheritance object size issue，并且想知道为什么虚拟继承会在类中产生一个额外的 vtable 指针。

我在这里找到一篇文章：https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_inheritance

告诉我们：

但是，在一般情况下，这个偏移量只能在运行时知道，...

我不明白这里与运行时相关的内容。完整的类继承层次结构在编译时是已知的。我了解虚函数和基指针的使用，但是虚继承没有这样的东西。

谁能解释一下为什么某些编译器（Clang/GCC）使用 vtable 实现虚拟继承以及在运行时期间如何使用它？

顺便说一句，我也看到了这个问题：vtable in case of virtual inheritance，但它只指向与虚函数相关的答案，这不是我的问题。

【问题讨论】：

注意：vtable/vptr 是实现细节。只要它们能够以某种方式实现标准要求的行为，编译器就不需要使用它们。

@RadosławCybulski：你错了，所以请点击我提供的链接。该问题明确表明，在不使用任何虚函数的情况下涉及到一个 vtable。

感谢您指出不相关的答案并将其标记为重复。问题是关于“虚拟继承”而不是“虚拟功能！

@Klaus 人们有时会犯错误或感到困惑。请记住保持文明并对您的 cmets 和编辑保持耐心。

@user4581301 这个问题很好很清楚。有时人们只是碰巧问过或看到过类似的东西，所以在关闭时赶紧开枪。

【参考方案1】：

完整的类继承层次结构在编译时是已知的。

确实如此；因此，如果编译器知道最派生对象的类型，那么它就知道该对象中每个子对象的偏移量。为此，不需要 vtable。

例如，如果B 和C 都实际上派生自A，而D 派生自B 和C，则在以下代码中：

D d;
A* a = &d;

从D* 到A* 的转换最多是在地址上添加一个静态偏移量。

但是，现在考虑一下这种情况：

A* f(B* b)  return b; 
A* g(C* c)  return c; 

这里，f 必须能够接受指向任何B 对象的指针，包括可能是D 对象或其他一些最派生类对象的子对象的B 对象。编译f时，编译器并不知道B的全部派生类。

如果B 对象是最派生对象，那么A 子对象将位于某个偏移量处。但是如果B 对象是D 对象的一部分呢？ D 对象仅包含一个 A 对象，并且它不能位于与B 和C 子对象both 的通常偏移处。所以编译器必须为D 的A 子对象选择一个位置，然后它必须提供一种机制，以便一些带有B* 或C* 的代码可以找出A 子对象的位置.这仅取决于最派生类型的继承层次结构——因此 vptr/vtable 是一种合适的机制。

【讨论】：

好点！另一种“解决方案”可能是让转换函数“在某处”为每个看到的转换实现“类似”模板实例。也许更复杂和更多代码，但对象大小更小。好的，拥有一个从 vtable 中获取偏移量的转换函数是一个常用的解决方案。谢谢！

@Klaus 该解决方案在不同情况下分崩离析。考虑B* b = (rand() % 2 == 0) ? new B : new D; f(b); 编译器不可能在编译时知道在每种情况下用于查找b 的A 子对象的正确偏移量。

@MilesBudnek：我会再考虑一下 :-) 谢谢！

"最多给地址加上一个静态偏移量" 稍微多一点：需要先检查是否为null。

【参考方案2】：

但是，在一般情况下，这个偏移量只能在运行时知道，...

我不明白，这里与运行时相关的是什么。完整的类继承层次结构在编译时就已经知道了。

我认为linked article at Wikipedia 提供了很好的示例解释。

那篇文章中的示例代码：

struct Animal 
  virtual ~Animal() = default;
  virtual void Eat() 
;

// Two classes virtually inheriting Animal:
struct Mammal : virtual Animal 
  virtual void Breathe() 
;

struct WingedAnimal : virtual Animal 
  virtual void Flap() 
;

// A bat is still a winged mammal
struct Bat : Mammal, WingedAnimal 
;

当您处理Bat 类型的对象时，编译器可以通过多种方式选择对象布局。

选项 1

+--------------+
| Animal       |
+--------------+
| vpointer     |
| Mammal       |
+--------------+
| vpointer     |
| WingedAnimal |
+--------------+
| vpointer     |
| Bat          |
+--------------+

选项 2

+--------------+
| vpointer     |
| Mammal       |
+--------------+
| vpointer     |
| WingedAnimal |
+--------------+
| vpointer     |
| Bat          |
+--------------+
| Animal       |
+--------------+

Mammal 和WingedAnimal 中的vpointer 中包含的值定义了Animal 子对象的偏移量。直到运行时才能知道这些值，因为Mammal 的构造函数无法知道主题是Bat 还是其他对象。如果子对象是Monkey，它不会派生自WingedAnimal。只是

struct Monkey : Mammal 
;

在这种情况下，对象布局可能是：

+--------------+
| vpointer     |
| Mammal       |
+--------------+
| vpointer     |
| Monkey       |
+--------------+
| Animal       |
+--------------+

可以看出，Mammal 子对象到Animal 子对象的偏移量是由派生自Mammal 的类定义的。因此，它只能在运行时定义。

【参考方案3】：

完整的类继承层次结构在编译器时是已知的。但是所有vptr相关的操作，比如获取虚基类的偏移量，发出虚函数调用，都延迟到运行时，因为只有在运行时我们才能知道对象的实际类型。

例如，

class A()  virtual bool a()  return false;  ;
class B() : public virtual A  int a()  return 0;  ;
B* ptr = new B();

// assuming function a()'s index is 2 at virtual function table
// the call
ptr->a();

// will be transformed by the compiler to (*ptr->vptr[2])(ptr)
// so a right call to a() will be issued according to the type of the object ptr points to

【讨论】：

说的很对，值得一提。不幸的是，OP 在排除有关虚拟功能的答案方面一直很直言不讳。事实上，正如其他答案所概述的那样，即使没有虚拟功能，虚拟继承也需要一个 vtable。本质原因是一样的：类的布局取决于它是否是后代类的一部分，因此是动态的。

@Maëlan 我同意你的看法。接受的答案指出，“如果编译器知道最派生对象的类型，那么它就知道该对象中每个子对象的偏移量。为此，不需要 vtable”，这是误导性的，因为编译器确实不知道也不关心a指向的对象的类型。它只检查指针的静态类型，即A，然后转换vptr相关操作。不幸的是，我没有足够的声誉来发表评论

来，拿一些。 :-) 我对上述答案的理解是，一个像样的 C++ 编译器会优化操作，以便在静态知道对象的动态类型时绕过 vtable，如给定示例D d; A* a = &d; 中所示。因此，出于优化目的，它确实关心尽可能跟踪动态类型，尽管这在一般情况下当然不可行。

我会澄清自己。编译器确实需要知道d 的类型才能执行正确的向上转换A* a = &d。但我认为这与编译器优化无关。并且在向上转换完成后，编译器生成的代码并不关心a 实际指向的内容，即它的动态类型，因为a 被视为指向A 类型的对象

This post is useful for understanding the mechanics of upcasting, e.g. A* a = &d