Function语义学——指向Member Function的指针

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前言

 
在第三章中我们已经看出，取一个nonstatic data member的地址，得到的结果是该member在class布局中的bytes位置（+1）。我们可以想象它是一个不完整的值，必须依附于某个class object才可以完成存取。

Nostatic Nonvirtual Member Function的指针

 
取一个nonstatic nonvirtual member function的地址，得到的是该函数在内存中真正的地址，但这个值也是不完全的，它也需要被绑定到某个class object的地址上才能调用该函数。所有nonstatic member function都需要对象的地址（以参数this指出）。

一个指向member function的指针其声明语法如下：

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double        //return type
( Point::*    //class the function is member
  pmf)        //name of the pointer
()            //argument list

member function指针使用如下：
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double (Point::*coord)() = &Point::x;//定义、初始化
coord = &Point::y;//赋值
(origin.*coord)();//调用 被编译器转为(coord)(&origin)
(ptr->*coord)();//调用 被编译器转为(coord)(ptr)

指向member function的指针的声明语法，以及指向“member selection运算符”的指针，其作用是作为this指针的空间保留者。这也是static member functions的类型是函数指针，而非“指向member function的指针”的原因。

我们可以认为，使用“指向member function的指针”，其成本并不高于使用一个“nonmember function指针”，这句话的前提是，当前并没有发生virtual function、多重继承、虚继承。

支持“指向Virtual Member Functions的指针”

 
考虑以下程序片段：

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float (Point::*pmf)() = &Point::z;
Point *ptr = new Point3d;

显然，pmf指向了Point的一个member function，只不过这一次z()是一个virtual function。ptr指向了一个Point3d对象。
接下来我们执行调用操作：
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ptr->z();//正确地调用Point3d::z()
(ptr->*pmf)();//仍然具备正确性

Poninter to virtual Member Function的实现

 
在上文中我们已经明确，对一个nonstatic member function取址得到的是其在内存中的地址。但对于一个virtual function，其地址在编译期是未知的，我们所知道的只是virtual function在其相关vtbl中的索引值。因此，对一个virtual member function取址的时候，我们得到的是一个索引。

问题实例

现有Point声明如下：

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class Point{
public:
    virtual ~Point();
    float x();
    float y();
    virtual float z();
    ...
};

现对各个member func分别取址：
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&Point::~Point();//res==1;
&Point::x();//内存中地址
&Point::y();//内存中地址
&Point::z()//res==2

通过pmf来调用z()的话，编译器会将该调用语句转为：
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(*ptr->vptr[(int)pmf])(ptr);

显然地，pmf需要有两种含义：

  1. 内存地址
  2. vtbl中的索引值

关键在于我们应当如何区分它们。

解决方案

在cfront编译器中，具体解决方案如下：

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(((int)pmf)&~127)?
    (*pmf)(ptr):
    (*ptr->vptr[(int)pmf](ptr));

这种设计策略要求继承体系中最多只能存在128个virtual functions。由于多重继承的导入，我们需要更一般化的实现方式，并趁机去除virtual functions的数目限制。

多重继承下，指向member function的指针

 
为了保证支持多重继承与虚继承，cfront的作者设计了一个结构体：

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struct _mptr{
    int delta;
    int index;
    union{
        ptrtofunc faddr;
        int v_offset;
    };
};

index与faddr分别（不同时）带有vbtl索引与nonvirtual member function地址。在该模型下，调用操作
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(ptr->*pmf)();

会变成：
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(pmf.index<0)
    ?(*pmf.faddr)(ptr)//non-virtual
    :(*ptr->vptr[pmf.index](ptr));

这种方法有两个缺点：

  1. 每一个调用操作都必须付出上述成本，检查其是否为virtual或non-virtual。
  2. 当传递一个不变值的指针给member function时，它需要产生一个临时对象。
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    extern Point3d foo(const Point3d&,Point3d(Point3d::*)());
    void bar(const Point3d& p){
        Point3d pt = foo(p,&Point3d::normal);
        ...
    }
    假设，&Point3d::normal的值类似于：{0,-1,10727417},那么将会产生一个具有明确初值的临时对象：
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    _mptr temp={0,-1,10727417};
    foo(p,temp);

现在我们将目光再次拉回结构体。delta字段表示this指针的offset值，而v_offset字段存放的则是一个virtual base class的vptr位置。显然，如果vptr被置于class object的起始处，我们就可以不需要这个字段（当然这令我们丧失了与C语言的兼容性）。这些字段只有在多重继承或者虚拟继承的情况下才具备必要性。

“指向Member Functions的指针”的效率

 
（下文详细测试了不同指针的读取效率。）