Wie ermöglichen virtuelle Funktionen und VTables Laufzeitpolymorphismus in C?

Implementierung virtueller Funktionen und VTables

Virtuelle Funktionen, die in C weit verbreitet sind, bieten Laufzeitpolymorphismus und ermöglichen es Objekten, von ihrer Basis geerbte Methoden zu überschreiben Klassen. Für eine effektive Nutzung ist es entscheidend, ihre Implementierung auf einer tiefen Ebene zu verstehen.

vtable-Implementierung

Immer wenn eine Klasse eine virtuelle Funktion deklariert, wird eine virtuelle Tabelle (vtable) erstellt. Diese Vtable speichert Adressen für die virtuellen Funktionen und ist klassenspezifisch. Jedes zu dieser Klasse gehörende Objekt verfügt über einen virtuellen Zeiger (vptr), der auf die Speicheradresse der vtable zeigt. Während eines virtuellen Funktionsaufrufs wird der vptr verwendet, um die Funktionsadresse aufzulösen.

vtable-Zugänglichkeit

Die vtable selbst ist zur Laufzeit nicht direkt zugänglich oder änderbar. Sprachspezifikationen erfordern keine vtables, aber die meisten Compiler implementieren sie für virtuelle Funktionen.

Vtable-Existenz

Vtables werden nur für Klassen mit mindestens einer virtuellen Funktion erstellt. Dies liegt daran, dass sie sowohl Platz- als auch Zeitaufwand verursachen.

Abstrakte Klassen und vtables

Abstrakte Klassen mit nicht implementierten rein virtuellen Funktionen haben eine unvollständige vtable. Sie reservieren einen Steckplatz, lassen aber den Funktionszeiger nicht zugewiesen.

Auswirkungen auf die Leistung

Eine virtuelle Funktion wirkt sich nur auf den Aufruf dieser Funktion selbst aus, nicht auf die gesamte Klasse. Allerdings ist die Auflösung der Funktionsadresse über die vtable mit einem Zeitaufwand verbunden. Durch das Überschreiben einer virtuellen Funktion wird deren Ausführungszeit nicht verbessert.

Zusätzlicher Overhead

Wenn eine abgeleitete Klasse eine virtuelle Funktion überschreibt, erstellt sie eine neue VTable, was den Speicherplatzaufwand erhöht. Allerdings kommt es nur bei als virtuell deklarierten Funktionen zu Leistungseinbußen bei der Auflösung über die vtable.

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