Wie ermöglichen virtuelle Funktionen und Vtables Polymorphismus in C?

Wie virtuelle Funktionen und Vtables in C funktionieren

Virtuelle Funktionen sind ein grundlegender Aspekt der objektorientierten Programmierung und ermöglichen es Objekten abgeleiteter Klassen überschreiben von Basisklassen geerbte Methoden. Aber wie werden virtuelle Funktionen unter der Oberfläche implementiert?

Vtable-Implementierung

Wenn eine Klasse eine virtuelle Funktion definiert, generiert der Compiler eine vtable ( virtuelle Funktionstabelle). In dieser Tabelle werden Zeiger auf alle virtuellen Funktionen dieser Klasse gespeichert. Jede Objektinstanz verfügt über einen vptr (virtuellen Zeiger), der auf die Basisadresse der Vtable seiner Klasse zeigt.

Vtable-Zugriff und -Änderung

Zugriff oder das Ändern der vtable zur Laufzeit wird in C im Allgemeinen als unsicher angesehen. Die Sprachdefinition schreibt die Verwendung von vtables nicht vor und verschiedene Implementierungen können unterschiedliche Verhaltensweisen aufweisen. In den meisten Fällen existiert die vtable nur für Klassen mit virtuellen Funktionen und kann nicht direkt geändert werden.

Vtables und abstrakte Klassen

Abstrakte Klassen haben rein virtuelle Funktionen, die sind Muss von abgeleiteten Klassen überschrieben werden. In einigen Implementierungen kann die vtable für abstrakte Klassen NULL-Funktionszeiger für rein virtuelle Funktionen enthalten. Dadurch wird sichergestellt, dass der Aufruf einer rein virtuellen Funktion in einer abstrakten Klasse zu undefiniertem Verhalten führt.

Auswirkungen auf die Leistung

Virtuelle Funktionen führen aufgrund der erforderlichen Dynamik zu einem Leistungsaufwand Bindung zur Laufzeit. Dieser Overhead betrifft nur die Ausführung virtueller Funktionen, nicht die gesamte Klasse. Durch das Überschreiben virtueller Funktionen ändert sich die Ausführungsgeschwindigkeit nicht. Das Erstellen separater Vtables für abgeleitete Klassen kann jedoch zu zusätzlichem Speicherplatzaufwand führen.

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