Vtable

Vtable

Таблица виртуальных методов (англ. virtual method table, VMT) - координирующая таблица или vtable - механизм, используемый в языках программирования для поддержки динамического соответствия (или метода позднего связывания).

Допустим, программа содержит несколько классов в иерархии наследования: суперкласс Cat и два подкласса HouseCat и Lion. Класс Cat определяет виртуальную функцию speak, так что его подклассы могут обеспечивать соответствующую реализацию (т.е. или "мяу" или "рык").

Когда программа вызывает метод speak по указателю Cat (который может указывать на класс Cat или любой подкласс Cat), контекстное окружение (среда запуска) должна уметь определять, какая именно реализация вызывается, в зависимости от текущего типа указываемого объекта.

Существует множество различных способов реализации подобного динамического связывания, но решение при помощи vtable весьма распространено в C++ и родственных языках (как например, D и C#). Языки, в которых есть разделение на программный интерфейс объектов и их реализацию, как Visual Basic и Delphi, также склоняются к использованию аналогов vtable, так как это позволяет объектам использовать другую реализацию просто используя другой набор указателей метода.

Содержание

Реализация

Координирующая таблица объекта содержит адреса динамически связанных методов объекта. Метод вызывается при выборке адреса метода из таблицы. Координирующая таблица будет той же самой для всех объектов, принадлежащих тому же классу, поэтому допускается ее совместное использование. Объекты, принадлежащие классам, совместимым по типу (например, стоящие на одной ступени в иерархии наследования), будут иметь схожие координирующие таблицы: адрес данного метода зафиксируется с одним и тем же самым смещением для всех классов, совместимых по типу. Таким образом, выбирая адрес метода из данной координирующей таблицы смещением получим метод, связанный с текущим классом объекта.[1]

В стандартах C++ нет четкого определения как должна реализовываться динамическая координация, но компиляторы зачастую используют некоторые вариации одной и той же базовой модели.

Обычно компилятор создает отдельную vtable для каждого класса. После создания объекта указатель на эту vtable, называемый виртуальный табличный указатель или vpointer, добавляется как скрытый член данного объекта (а зачастую как первый член). Компилятор также генерирует "скрытый" код в конструкторе каждого класса для инициализации vpointer'ов его объектов адресами соответствующей vtable.

Пример

Рассмотрим следующие объявления класса в синтаксисе C++:

class B1
{
public:
  void f0() {}
  virtual void f1() {}
  int int_in_b1;
};
 
class B2
{
public:
  virtual void f2() {}
  int int_in_b2;
};

используем для создания следующего класса:

class D : public B1, public B2
{
public:
  void d() {}
  void f2() {}  // переопределяем B2::f2()
  int int_in_d;
};

и следующий фрагмент C++ кода:

B2 *b2 = new B2();
D  *d  = new D();

G++ 3.4.6 из набора GCC создает следующую 32-битную схему памяти для объекта b2:[nb 1]

b2:
  +0: указатель на таблицу виртуальных методов B2
  +4: значение int_in_b2

таблица виртуальных методов B2:
  +0: B2::f2()   


а для объекта d схема памяти будет такой:

d:
  +0: указатель на ТВМ D (для B1)
  +4: значение int_in_b1
  +8: указатель на ТВМ D (для B2)
 +12: значение int_in_b2
 +16: значение int_in_d

Всего: 20 Bytes.

ТВМ D (для B1):
  +0: B1::f1()  // B1::f1() не переопределена

ТВМ D (для B2):
  +0: D::f2()   // B2::f2() переопределена D::f2()

Необходимо отметить, что невиртуальные функции (такие как f0) в общем случае не могут появляться в vtable, но в некоторых случаях есть исключения (как, например, конструктор по умолчанию).

Переопределение метода f2() в классе D реализуется дублированием ТВМ B2 и заменой указателя на B2::f2() указателем на D::f2().

Множественное наследование

Компилятор C++ реализует множественное наследование классов B1 и B2 в класс D, используя две таблицы виртуальных методов, по одной для каждого базового класса. (Есть и другие способы реализации множественного наследования, но данный наиболее распространенный.) Это приводит к потребности в "указателях на адресную запись" (связках) при создании.

Рассмотрим следующий C++ код:

D  *d  = new D();
B1 *b1 = dynamic_cast<B1*>(d);
B2 *b2 = dynamic_cast<B2*>(d);

В то время как d и b1 указывают на одно место в памяти после выполнения данного кода, b2 будет указывать на участок памяти d+8 (смещение на восемь байт относительно участка d). Таким образом, b2 указывает на область памяти внутри d, что "выглядит" как сущность B2, т.е. имеет ту же схему размещения в памяти, что и сущность B2.

Вызов

Вызов d->f1() происходит при разыменовании vpointer D::B1 из d: просмотр записи о f1 в vtable, а затем разыменование этого указателя вызывает код.

В случае одиночного наследования (или в случае языка с поддержкой только одиночного наследования), если vpointer всегда является первым элементом в d (как это происходит у многих компиляторов), то это решается следующим псевдо-C++ кодом:

*((*d)[0])(d)

В более общем случае, как упоминалось выше, вызов f1(), D::f2() и B2::f2() на d будет сложнее

*((d->/*указатель на таблицу виртуальных методов D (для B1)*/)[0])(d)
*((d->/*указатель на таблицу виртуальных методов D (для B1)*/)[12])(d)
*((d->/*указатель на таблицу виртуальных методов D (для B2)*/)[0])(d+8)

Для сравнения, вызов d->f0() гораздо проще:

*B1::f0(d)

Эффективность

Виртуальный вызов требует как минимум дополнительно индексированного разыменования, а иногда дополнительной "адресной привязки" (fixup), схожей с невиртуальным вызовом, который является простым переходом к скомпилированному указателю. Поэтому вызов виртуальных функций по сути медленнее, чем вызов невиртуальных. Опыты показывают, что примерно 6-13% времени исполнения тратится просто на поиск соответствующей функции, при этом дополнительные расходы могут достигать[2].

К тому же, в среде где

Для избежания подобных потерь компиляторы обычно избегают использования vtable всегда, когда вызов может быть выполнен во время компиляции.

Таким образом, вышеприведеный вызов f1 может и не требовать просмотра vtable, так как компилятор может сообщить о том, что d может иметь в этой точке только D, а D не переопределяет f1. Или компилятор (как вариант, оптимизатор) может обнаружить отсутствие подклассов B1 в программе, переопределяющей f1. Вызов B1::f1 или B2::f2 вероятно не потребует просмотра vtable благодаря реализации, определенной явным образом (хотя все еще требуется привязка по указателю 'this').

Сравнение с альтернативами

Vtable в общем случае жертвует производитльностью для достижения динамического выбора, но существует множство альтернатив ей, как например, выбор по двоичному дереву, обладающий более высокой производительностью, но различной скоростью исполнения[3].

Тем не менее, vtable предусмотрена только для единичной диспетчеризации (single dispatch) по специальному параметру "this", в отличие от множественной диспетчеризации (multiple dispatch) (как в Dylan), где типы всех параметров могут быть присвоены в ходе диспетчеризации.

Vtable также работает только если диспетчеризация ограничена известным набором методов, поэтому множество vtable могут быть помещены в простой массив во время компиляции, в отличие от языков с поддержкой утиной типизации (например, Python или JIT-компиляции), а время диспетчеризации часто не производит значимого влияния на общее время обработки, но несмотря на это, просмотр vtable заметно быстрее. Vtable также проще реализовывать и отлаживать, а кроме того еще и ближе к "философии языка Си" нежели хэш-таблицы строк.

Дополнительные источники

Виртуальные функции – низкоуровневый взгляд (статья)

См. также

Примечания

  1. Аргумент G++ -fdump-class-hierarchy может быть использован для сброса ТВМ для "ручной" проверки. Для компилятора AIX VisualAge XlC используется -qdump_class_hierarchy для сброса иерархии классов и схемы ТВФ.

Источники

  1. Ellis & Stroustrup 1990, pp. 227–232
  2. Driesen, Karel and Hölzle, Urs, "The Direct Cost of Virtual Function Calls in C++", OOPSLA 1996
  3. Zendra, Olivier and Driesen, Karel, "Stress-testing Control Structures for Dynamic Dispatch in Java", Pp. 105–118, Proceedings of the USENIX 2nd Java Virtual Machine Research and Technology Symposium, 2002 (JVM '02)

Ссылки

  • Margaret A. Ellis and Bjarne Stroustrup (1990) The Annotated C++ Reference Manual. Reading, MA: Addison-Wesley. (ISBN 0-201-51459-1)

Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Нужно решить контрольную?

Полезное


Смотреть что такое "Vtable" в других словарях:

  • VTable — Die Tabelle virtueller Methoden (engl.: virtual method table, kurz VMT, vtbl oder vtable) ist ein Ansatz von Compilern objektorientierter Programmiersprachen dynamisches Binden umzusetzen. Das ist unter anderem Grundvoraussetzung für Vererbung… …   Deutsch Wikipedia

  • vtable — noun A table of memory pointers to different implementations of a virtual function. This solution allows the Command executor to iterate through a collection of unrelated objects with no vtables and pick out the right method for each one …   Wiktionary

  • Таблица виртуальных методов — (англ. virtual method table, VMT) координирующая таблица или vtable механизм, используемый в языках программирования для поддержки динамического соответствия (или метода позднего связывания). Допустим, программа содержит несколько классов в… …   Википедия

  • VMT — Таблица виртуальных методов (англ. virtual method table, VMT) координирующая таблица или vtable механизм, используемый в языках программирования для поддержки динамического соответствия (или метода позднего связывания). Допустим, программа… …   Википедия

  • Virtual function table — Таблица виртуальных методов (англ. virtual method table, VMT) координирующая таблица или vtable механизм, используемый в языках программирования для поддержки динамического соответствия (или метода позднего связывания). Допустим, программа… …   Википедия

  • Thunk — The word thunk has at least three related meanings in computer science. A thunk may be: * a piece of code to perform a delayed computation (similar to a closure) * a feature of some virtual function table implementations (similar to a wrapper… …   Wikipedia

  • Virtual method table — A virtual method table, virtual function table, dispatch table, or vtable, is a mechanism used in programming language to support dynamic dispatch (or run time method binding).Suppose a program contains several classes in an inheritance hierarchy …   Wikipedia

  • Herencia virtual — En C++, herencia virtual es un tipo de herencia que solventa algunos de los problemas causados por la herencia múltiple (particularmente, el problema del diamante ) mediante la aclaración de la ambigüedad sobre qué miembros de clases padre usar.… …   Wikipedia Español

  • Virtual inheritance — For inheritance of virtual functions, see virtual function. In the C++ programming language, virtual inheritance is a kind of inheritance that solves some of the problems caused by multiple inheritance (particularly the diamond problem ) by… …   Wikipedia

  • Виртуальное наследование — У этого термина существуют и другие значения, см. Наследование. Про наследование виртуальных методов, см виртуальный метод. Виртуальное наследование (англ. virtual inheritance) в языке программирования C++  один из вариантов… …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»