成員函數(shù)指針??為什么那么復(fù)雜？
類的成員函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)有一些不同。與被顯式聲明的參數(shù)相似，類的成員函數(shù)有一個(gè)隱藏的參數(shù)this，它指向一個(gè)類的實(shí)例。根據(jù)不同的編譯器，this或者被看作內(nèi)部的一個(gè)正常的參數(shù)，或者會被特別對待（比如，在VC++中，this一般通過ECX寄存器來傳遞，而普通的成員函數(shù)的參數(shù)被直接壓在堆棧中）。this作為參數(shù)和其他普通的參數(shù)有著本質(zhì)的不同，即使一個(gè)成員函數(shù)受一個(gè)普通函數(shù)的支配，在標(biāo)準(zhǔn)C++中也沒有理由使這個(gè)成員函數(shù)和其他的普通函數(shù)（ordinary function）的行為相同，因?yàn)闆]有thiscall關(guān)鍵字來保證它使用像普通參數(shù)一樣正常的調(diào)用規(guī)則。成員函數(shù)是一回事，普通函數(shù)是另外一回事（Member functions are from Mars, ordinary functions are from Venus）。
你可能會猜測，一個(gè)成員函數(shù)指針和一個(gè)普通函數(shù)指針一樣，只是一個(gè)代碼指針。然而這種猜測也許是錯(cuò)誤的。在大多數(shù)編譯器中，一個(gè)成員函數(shù)指針要比一個(gè)普通的函數(shù)指針要大許多。更奇怪的是，在Visual C++中，一個(gè)成員函數(shù)指針可以是4、8、12甚至16個(gè)字節(jié)長，這取決于它所相關(guān)的類的性質(zhì)，同時(shí)也取決于編譯器使用了怎樣的編譯設(shè)置！成員函數(shù)指針比你想象中的要復(fù)雜得多，但也不總是這樣。
讓我們回到二十世紀(jì)80年代初期，那時(shí)，最古老的C++編譯器CFront剛剛開發(fā)完成，那時(shí)C++語言只能實(shí)現(xiàn)單一繼承，而且成員函數(shù)指針剛被引入，它們很簡單：它們就像普通的函數(shù)指針，只是附加了額外的this作為它們的第一個(gè)參數(shù)，你可以將一個(gè)成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化成一個(gè)普通的函數(shù)指針，并使你能夠?qū)@個(gè)額外添加的參數(shù)產(chǎn)生足夠的重視。
這個(gè)田園般的世界隨著CFront 2.0的問世被擊得粉碎。它引入了模版和多重繼承，多重繼承所帶來的破壞造成了成員函數(shù)指針的改變。問題在于，隨著多重繼承，調(diào)用之前你不知道使用哪一個(gè)父類的this指針，比如，你有4個(gè)類定義如下：
class A {
public:
virtual int Afunc() { return 2; };
};
class B {
public:
int Bfunc() { return 3; };
};
// C是個(gè)單一繼承類，它只繼承于A
class C: public A {
public:
int Cfunc() { return 4; };
};
// D 類使用了多重繼承
class D: public A, public B {
public:
int Dfunc() { return 5; };
};
假如我們建立了C類的一個(gè)成員函數(shù)指針。在這個(gè)例子中，Afunc和Cfunc都是C的成員函數(shù)，所以我們的成員函數(shù)指針可以指向Afunc或者Cfunc。但是Afunc需要一個(gè)this指針指向C::A(后面我叫它Athis)，而Cfunc需要一個(gè)this指針指向C（后面我叫它Cthis）。編譯器的設(shè)計(jì)者們?yōu)榱颂幚磉@種情況使用了一個(gè)把戲（trick）：他們保證了A類在物理上保存在C類的頭部（即C類的起始地址也就是一個(gè)A類的一個(gè)實(shí)例的起始地址），這意味著Athis == Cthis。我們只需擔(dān)心一個(gè)this指針就夠了，并且對于目前這種情況，所有的問題處理得還可以。
現(xiàn)在，假如我們建立一個(gè)D類的成員函數(shù)指針。在這種情況下，我們的成員函數(shù)指針可以指向Afunc、Bfunc或Dfunc。但是Afunc需要一個(gè)this指針指向D::A，而Bfunc需要一個(gè)this指針指向D::B。這時(shí)，這個(gè)把戲就不管用了，我們不可以把A類和B類都放在D類的頭部。所以，D類的一個(gè)成員函數(shù)指針不僅要說明要指明調(diào)用的是哪一個(gè)函數(shù)，還要指明使用哪一個(gè)this指針。編譯器知道A類占用的空間有多大，所以它可以對Athis增加一個(gè)delta = sizeof(A)偏移量就可以將Athis指針轉(zhuǎn)換為Bthis指針。
如果你使用虛擬繼承（virtual inheritance），比如虛基類，情況會變得更糟，你可以不必為搞懂這是為什么太傷腦筋。就舉個(gè)例子來說吧，編譯器使用虛擬函數(shù)表（virtual function table??“vtable”）來保存每一個(gè)虛函數(shù)、函數(shù)的地址和virtual_delta：將當(dāng)前的this指針轉(zhuǎn)換為實(shí)際函數(shù)需要的this指針時(shí)所要增加的位移量。
綜上所述，為了支持一般形式的成員函數(shù)指針，你需要至少三條信息：函數(shù)的地址，需要增加到this指針上的delta位移量，和一個(gè)虛擬函數(shù)表中的索引。對于MSVC來說，你需要第四條信息：虛擬函數(shù)表（vtable）的地址。
成員函數(shù)指針的實(shí)現(xiàn)
那么，編譯器是怎樣實(shí)現(xiàn)成員函數(shù)指針的呢？這里是對不同的32、64和16位的編譯器，對各種不同的數(shù)據(jù)類型（有int、void*數(shù)據(jù)指針、代碼指針（比如指向靜態(tài)函數(shù)的指針）、在單一（single-）繼承、多重（multiple-）繼承、虛擬（virtual-）繼承和未知類型（unknown）的繼承下的類的成員函數(shù)指針）使用sizeof運(yùn)算符計(jì)算所獲得的數(shù)據(jù)：
編譯器
選項(xiàng)
int
DataPtr
CodePtr
Single
Multi
Virtual
Unknown
MSVC
4
4
4
4
8
12
16
MSVC
/vmg
4
4
4
16#
16#
16#
16
MSVC
/vmg /vmm
4
4
4
8#
8#
--
8#
Intel_IA32
4
4
4
4
8
12
12
Intel_IA32
/vmg /vmm
4
4
4
4
8
--
8
Intel_Itanium
4
8
8
8
12
20
20
G++
4
4
4
8
8
8
8
Comeau
4
4
4
8
8
8
8
DMC
4
4
4
4
4
4
4
BCC32
4
4
4
12
12
12
12
BCC32
/Vmd
4
4
4
4
8
12
12
WCL386
4
4
4
12
12
12
12
CodeWarrior
4
4
4
12
12
12
12
XLC
4
8
8
20
20
20
20
DMC
small
2
2
2
2
2
2
2
DMC
medium
2
2
4
4
4
4
4
WCL
small
2
2
2
6
6
6
6
WCL
compact
2
4
2
6
6
6
6
WCL
medium
2
2
4
8
8
8
8
WCL
large
2
4
4
8
8
8
8
注： #表示使用__single/__multi/__virtual_inheritance關(guān)鍵字的時(shí)候代表4、8或12。這些編譯器是Microsoft Visual C++ 4.0 to 7.1 (.NET 2003), GNU G++ 3.2 (MingW binaries, http://www.mingw.org/), Borland BCB 5.1 (http://www.borland.com/), Open Watcom (WCL) 1.2 (http://www.openwatcom.org/), Digital Mars (DMC) 8.38n (http://www.digitalmars.com/), Intel C++ 8.0 for Windows IA-32, Intel C++ 8.0 for Itanium, (http://www.intel.com/), IBM XLC for AIX (Power, PowerPC), Metrowerks Code Warrior 9.1 for Windows (http://www.metrowerks.com/), 和 Comeau C++ 4.3 (http://www.comeaucomputing.com/). Comeau的數(shù)據(jù)是在它支持的32位平臺（x86, Alpha, SPARC等）上得出的。16位的編譯器的數(shù)據(jù)在四種DOS配置（tiny, compact, medium, 和 large）下測試得出，用來顯示各種不同代碼和數(shù)據(jù)指針的大小。MSVC在/vmg的選項(xiàng)下進(jìn)行了測試，用來顯示“成員指針的全部特性”。（如果你擁有在列表中沒有出現(xiàn)的編譯器，請告知我。非x86處理機(jī)下的編譯器測試結(jié)果有獨(dú)特的價(jià)值。）
看著表中的數(shù)據(jù)，你是不是覺得很驚奇？你可以清楚地看到編寫一段在一些環(huán)境中可以運(yùn)行而在另一些編譯器中不能運(yùn)行的代碼是很容易的。不同的編譯器之間，它們的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)顯然是有很大差別的；事實(shí)上，我認(rèn)為編譯器在實(shí)現(xiàn)語言的其他特性上并沒有這樣明顯的差別。對實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)進(jìn)行研究你會發(fā)現(xiàn)一些奇怪的問題。
一般，編譯器采取最差的，而且一直使用最普通的形式。比如對于下面這個(gè)結(jié)構(gòu)：
// Borland (缺省設(shè)置) 和Watcom C++.
struct {
FunctionPointer m_func_address;
int m_delta;
int m_vtable_index; //如果不是虛擬繼承，這個(gè)值為0。
};
// Metrowerks CodeWarrior使用了稍微有些不同的方式。
//即使在不允許多重繼承的Embedded C++的模式下，它也使用這樣的結(jié)構(gòu)！
struct {
int m_delta;
int m_vtable_index; // 如果不是虛擬繼承，這個(gè)值為-1。
FunctionPointer m_func_address;
};
// 一個(gè)早期的SunCC版本顯然使用了另一種規(guī)則：
struct {
int m_vtable_index; //如果是一個(gè)非虛擬函數(shù)（non-virtual function），這個(gè)值為0。
FunctionPointer m_func_address; //如果是一個(gè)虛擬函數(shù)（virtual function），這個(gè)值為0。
int m_delta;
};
//下面是微軟的編譯器在未知繼承類型的情況下或者使用/vmg選項(xiàng)時(shí)使用的方法：
struct {
FunctionPointer m_func_address;
int m_delta;
int m_vtordisp;
int m_vtable_index; // 如果不是虛擬繼承，這個(gè)值為0
};
// AIX (PowerPC)上IBM的XLC編譯器：
struct {
FunctionPointer m_func_address; // 對PowerPC來說是64位
int m_vtable_index;
int m_delta;
int m_vtordisp;
};
// GNU g++使用了一個(gè)機(jī)靈的方法來進(jìn)行空間優(yōu)化
struct {
union {
FunctionPointer m_func_address; // 其值總是4的倍數(shù)
int m_vtable_index_2; // 其值被2除的結(jié)果總是奇數(shù)
};
int m_delta;
};
對于幾乎所有的編譯器，delta和vindex用來調(diào)整傳遞給函數(shù)的this指針，比如Borland的計(jì)算方法是：
adjustedthis = *(this + vindex -1) + delta // 如果vindex!=0
adjustedthis = this + delta // 如果vindex=0
（其中，“*”是提取該地址中的數(shù)值，adjustedthis是調(diào)整后的this指針??譯者注）
Borland使用了一個(gè)優(yōu)化方法：如果這個(gè)類是單一繼承的，編譯器就會知道delta和vindex的值是0，所以它就可以跳過上面的計(jì)算方法。
GNU編譯器使用了一個(gè)奇怪的優(yōu)化方法。可以清楚地看到，對于多重繼承來說，你必須查看vtable（虛擬函數(shù)表）以獲得voffset（虛擬函數(shù)偏移地址）來計(jì)算this指針。當(dāng)你做這些事情的時(shí)候，你可能也把函數(shù)指針保存在vtable中。通過這些工作，編譯器將m_func_address和m_vtable_index合二為一（即放在一個(gè)union中），編譯器區(qū)別這兩個(gè)變量的方法是使函數(shù)指針（m_func_address）的值除以2后結(jié)果為偶數(shù)，而虛擬函數(shù)表索引(m_vtable_index_2)除以2后結(jié)果為奇數(shù)。它們的計(jì)算方法是：
adjustedthis = this + delta
if (funcadr & 1) //如果是奇數(shù)
call (* ( *delta + (vindex+1)/2) + 4)
else //如果是偶數(shù)
call funcadr
（其中， funcadr是函數(shù)地址除以2得出的結(jié)果。??譯者注）
Inter的Itanium編譯器（但不是它們的x86編譯器）對虛擬繼承（virtual inheritance）的情況也使用了unknown_inheritance結(jié)構(gòu)，所以，一個(gè)虛擬繼承的指針有20字節(jié)大小，而不是想象中的16字節(jié)。
// Itanium，unknown 和 virtual inheritance下的情況.
struct {
FunctionPointer m_func_address; //對Itanium來說是64位
int m_delta;
int m_vtable_index;
int m_vtordisp;
};
我不能保證Comeau C++使用的是和GNU相同的技術(shù)，也不能保證它們是否使用short代替int使這種虛擬函數(shù)指針的結(jié)構(gòu)的大小縮小至8個(gè)字節(jié)。最近發(fā)布的Comeau C++版本為了兼容微軟的編譯器也使用了微軟的編譯器關(guān)鍵字（我想它也只是忽略這些關(guān)鍵字而不對它們進(jìn)行實(shí)質(zhì)的相關(guān)處理罷了）。
Digital Mars編譯器（即最初的Zortech C++到后來的Symantec C++）使用了一種不同的優(yōu)化方法。對單一繼承類來說，一個(gè)成員函數(shù)指針僅僅是這個(gè)函數(shù)的地址。但涉及到更復(fù)雜的繼承時(shí)，這個(gè)成員函數(shù)指針指向一個(gè)形式轉(zhuǎn)換函數(shù)（thunk function），這個(gè)函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對this指針的必要調(diào)整并可用來調(diào)用實(shí)際的成員函數(shù)。每當(dāng)涉及到多重繼承的時(shí)候，每一個(gè)成員函數(shù)的指針都會有這樣一個(gè)形式轉(zhuǎn)換函數(shù)，這對函數(shù)調(diào)用來說是非常有效的。但是這意味著，當(dāng)使用多重繼承的時(shí)候，子類的成員函數(shù)指針向基類成員函數(shù)指針的轉(zhuǎn)換就會不起作用了。可見，這種編譯器對編譯代碼的要求比其他的編譯器要嚴(yán)格得多。
很多嵌入式系統(tǒng)的編譯器不允許多重繼承。這樣，這些編譯器就避免了可能出現(xiàn)的問題：一個(gè)成員函數(shù)指針就是一個(gè)帶有隱藏this指針參數(shù)的普通函數(shù)指針。
微軟"smallest for class"方法的問題
微軟的編譯器使用了和Borland相似的優(yōu)化方法。它們都使單一繼承的情況具有最優(yōu)的效率。但不像Borland，微軟在缺省條件下成員函數(shù)指針省略了值為0 的指針入口（entry），我稱這種技術(shù)為“smallest for class”方法：對單一繼承類來說，一個(gè)成員函數(shù)指針僅保存了函數(shù)的地址（m_func_address），所以它有4字節(jié)長。而對于多重繼承類來說，由于用到了偏移地址（m_delta），所以它有8字節(jié)長。對虛擬繼承，會用到12個(gè)字節(jié)。這種方法確實(shí)節(jié)省空間，但也有其它的問題。
首先，將一個(gè)成員函數(shù)指針在子類和基類之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化會改變指針的大小！因此，信息是會丟失的。其次，當(dāng)一個(gè)成員函數(shù)指針在它的類定義之前聲明的時(shí)候，編譯器必須算出要分配給這個(gè)指針多少空間，但是這樣做是不安全的，因?yàn)樵诙x之前編譯器不可能知道這個(gè)類的繼承方式。對Intel C++和早期的微軟編譯器來說，編譯器僅僅對指針的大小進(jìn)行猜測，一旦在源文件中猜測錯(cuò)誤，你的程序會在運(yùn)行時(shí)莫名其妙地崩潰。所以，微軟的編譯器中增加了一些保留字：__single_inheritance, __multiple_inheritance,和 __virtual_inheritance，并增設(shè)了一些編譯器開關(guān)（compiler switch），如/vmg，讓所有的成員函數(shù)指針有相同的大小，而對原本個(gè)頭小的成員函數(shù)指針的空余部分用0填充。Borland編譯器也增加了一些編譯器開關(guān)，但沒有增加新的關(guān)鍵字。Intel的編譯器可以識別Microsoft增加的那些關(guān)鍵字，但它在能夠找到類的定義的情況下會對這些關(guān)鍵字不做處理。
對于MSVC來說，編譯器需要知道類的vtable在哪兒；通常就會有一個(gè)this指針的偏移量（vtordisp），這個(gè)值對所有這個(gè)類中的成員函數(shù)來說是不變的，但對每個(gè)類來說會是不同的。對于MSVC，經(jīng)調(diào)整過的this指針是在原this指針的基礎(chǔ)上經(jīng)過下面的計(jì)算得出的：
if (vindex=0) //如果不是虛擬繼承（_virtual_inheritance）
adjustedthis = this + delta
else //如果是
adjustedthis = this + delta + vtordisp + *(*(this + vtordisp) + vindex)
在虛擬繼承的情況下，vtordisp的值并不保存在__virtual_inheritance指針中，而是在發(fā)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用的代碼時(shí)，編譯器才將其相應(yīng)的匯編代碼“嵌”進(jìn)去。但是對于未知類型的繼承，編譯器需要盡可能地通過讀代碼確定它的繼承類型，所以，編譯器將虛擬繼承指針（virtual inheritance pointer）分為兩類（__virtual_inheritance和__unknown_inheritance）。
理論上，所有的編譯器設(shè)計(jì)者應(yīng)該在MFP（成員函數(shù)指針）的實(shí)現(xiàn)上有所變革和突破。但在實(shí)際上，這是行不通的，因?yàn)檫@使現(xiàn)在編寫的大量代碼都需要改變。微軟曾發(fā)表了一篇非常古老的文章（http://msdn.microsoft.com/archive/en-us/dnarvc/html/jangrayhood.asp）來解釋Visual C++運(yùn)作的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。這篇文章是Jan Gray寫的，他曾在1990年設(shè)計(jì)了Microsoft C++的對象模型。盡管這篇文章發(fā)表于1994年，但這篇文章仍然很重要??這意味著C++的對象模型在長達(dá)15年的時(shí)間里（1990年到2004年）沒有絲毫改變。
現(xiàn)在，我想你對成員函數(shù)指針的事情已經(jīng)知道得太多了。要點(diǎn)是什么？我已為你建立了一個(gè)規(guī)則。雖然各種編譯器的在這方面的實(shí)現(xiàn)方法有很大的不同，但是也有一些有用的共同點(diǎn)：不管對哪種形式的類，調(diào)用一個(gè)成員函數(shù)指針生成的匯編語言代碼是完全相同的。有一種特例是使用了“smallest for class”技術(shù)的非標(biāo)準(zhǔn)的編譯器，即使是這種情況，差別也是很微小的。這個(gè)事實(shí)可以讓我們繼續(xù)探索怎樣去建立高性能的委托（delegate）。
委托（delegate） 和成員函數(shù)指針不同，你不難發(fā)現(xiàn)委托的用處。最重要的，使用委托可以很容易地實(shí)現(xiàn)一個(gè)Subject/Observer設(shè)計(jì)模式的改進(jìn)版[GoF, p. 293]。Observer（觀察者）模式顯然在GUI中有很多的應(yīng)用，但我發(fā)現(xiàn)它對應(yīng)用程序核心的設(shè)計(jì)也有很大的作用。委托也可用來實(shí)現(xiàn)策略（Strategy）[GoF, p. 315]和狀態(tài)（State）[GoF, p. 305]模式。 現(xiàn)在，我來說明一個(gè)事實(shí)，委托和成員函數(shù)指針相比并不僅僅是好用，而且比成員函數(shù)指針簡單得多！既然所有的.NET語言都實(shí)現(xiàn)了委托，你可能會猜想如此高層的概念在匯編代碼中并不好實(shí)現(xiàn)。但事實(shí)并不是這樣：委托的實(shí)現(xiàn)確實(shí)是一個(gè)底層的概念，而且就像普通的函數(shù)調(diào)用一樣簡單（并且很高效）。一個(gè)C++委托只需要包含一個(gè)this指針和一個(gè)簡單的函數(shù)指針就夠了。當(dāng)你建立一個(gè)委托時(shí)，你提供這個(gè)委托一個(gè)this指針，并向它指明需要調(diào)用哪一個(gè)函數(shù)。編譯器可以在建立委托時(shí)計(jì)算出調(diào)整this指針需要的偏移量。這樣在使用委托的時(shí)候，編譯器就什么事情都不用做了。這一點(diǎn)更好的是，編譯器可以在編譯時(shí)就可以完成全部這些工作，這樣的話，委托的處理對編譯器來說可以說是微不足道的工作了。在x86系統(tǒng)下將委托處理成的匯編代碼就應(yīng)該是這么簡單： mov ecx, [this] call [pfunc] 但是，在標(biāo)準(zhǔn)C++中卻不能生成如此高效的代碼。 Borland為了解決委托的問題在它的C++編譯器中加入了一個(gè)新的關(guān)鍵字（__closure）,用來通過簡潔的語法生成優(yōu)化的代碼。GNU編譯器也對語言進(jìn)行了擴(kuò)展，但和Borland的編譯器不兼容。如果你使用了這兩種語言擴(kuò)展中的一種，你就會限制自己只使用一個(gè)廠家的編譯器。而如果你仍然遵循標(biāo)準(zhǔn)C++的規(guī)則，你仍然可以實(shí)現(xiàn)委托，但實(shí)現(xiàn)的委托就不會是那么高效了。 有趣的是，在C#和其他.NET語言中，執(zhí)行一個(gè)委托的時(shí)間要比一個(gè)函數(shù)調(diào)用慢8倍（參見http://msdn.microsoft.com/library/en-us/dndotnet/html/fastmanagedcode.asp）。我猜測這可能是垃圾收集和.NET安全檢查的需要。最近，微軟將“統(tǒng)一事件模型（unified event model）”加入到Visual C++中，隨著這個(gè)模型的加入，增加了__event、 __raise、__hook、__unhook、event_source和event_receiver等一些關(guān)鍵字。坦白地說，我對加入的這些特性很反感，因?yàn)檫@是完全不符合標(biāo)準(zhǔn)的，這些語法是丑陋的，因?yàn)樗鼈兪惯@種C++不像C++，并且會生成一堆執(zhí)行效率極低的代碼。解決這個(gè)問題的推動(dòng)力：對高效委托（fast delegate）的迫切需求 使用標(biāo)準(zhǔn)C++實(shí)現(xiàn)委托有一個(gè)過度臃腫的癥狀。大多數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法使用的是同一種思路。這些方法的基本觀點(diǎn)是將成員函數(shù)指針看成委托��但這樣的指針只能被一個(gè)單獨(dú)的類使用。為了避免這種局限，你需要間接地使用另一種思路：你可以使用模版為每一個(gè)類建立一個(gè)“成員函數(shù)調(diào)用器（member function invoker）”。委托包含了this指針和一個(gè)指向調(diào)用器（invoker）的指針，并且需要在堆上為成員函數(shù)調(diào)用器分配空間。 對于這種方案已經(jīng)有很多種實(shí)現(xiàn)，包括在CodeProject上的實(shí)現(xiàn)方案。各種實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜性上、語法（比如，有的和C#的語法很接近）上、一般性上有所不同。最具權(quán)威的一個(gè)實(shí)現(xiàn)是boost::function。最近，它已經(jīng)被采用作為下一個(gè)發(fā)布的C++標(biāo)準(zhǔn)版本中的一部分[Sutter1]。希望它能夠被廣泛地使用。 就像傳統(tǒng)的委托實(shí)現(xiàn)方法一樣，我同樣發(fā)覺這種方法并不十分另人滿意。雖然它提供了大家所期望的功能，但是會混淆一個(gè)潛在的問題：人們?nèi)狈σ粋€(gè)語言的底層的構(gòu)造。 “成員函數(shù)調(diào)用器”的代碼對幾乎所有的類都是一樣的，在所有平臺上都出現(xiàn)這種情況是令人沮喪的。畢竟，堆被用上了。但在一些應(yīng)用場合下，這種新的方法仍然無法被接受。 我做的一個(gè)項(xiàng)目是離散事件模擬器，它的核心是一個(gè)事件調(diào)度程序，用來調(diào)用被模擬的對象的成員函數(shù)。大多數(shù)成員函數(shù)非常簡單：它們只改變對象的內(nèi)部狀態(tài)，有時(shí)在事件隊(duì)列（event queue）中添加將來要發(fā)生的事件，在這種情況下最適合使用委托。但是，每一個(gè)委托只被調(diào)用（invoked）一次。一開始，我使用了boost::function，但我發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行時(shí)，給委托所分配的內(nèi)存空間占用了整個(gè)程序空間的三分之一還要多！“我要真正的委托！”我在內(nèi)心呼喊著，“真正的委托只需要僅僅兩行匯編指令啊！” 我并不能總是能夠得到我想要的，但后來我很幸運(yùn)。我在這兒展示的代碼（代碼下載鏈接見譯者注）幾乎在所有編譯環(huán)境中都產(chǎn)生了優(yōu)化的匯編代碼。最重要的是，調(diào)用一個(gè)含有單個(gè)目標(biāo)的委托（single-target delegate）的速度幾乎同調(diào)用一個(gè)普通函數(shù)一樣快。實(shí)現(xiàn)這樣的代碼并沒有用到什么高深的東西，唯一的遺憾就是，為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，我的代碼和標(biāo)準(zhǔn)C++的規(guī)則有些偏離。我使用了一些有關(guān)成員函數(shù)指針的未公開知識才使它能夠這樣工作。如果你很細(xì)心，而且不在意在少數(shù)情況下的一些編譯器相關(guān)（compiler-specific）的代碼，那么高性能的委托機(jī)制在任何C++編譯器下都是可行的。 訣竅：將任何類型的成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的形式 我的代碼的核心是一個(gè)能夠?qū)⑷魏晤惖闹羔樅腿魏纬蓡T函數(shù)指針分別轉(zhuǎn)換為一個(gè)通用類的指針和一個(gè)通用成員函數(shù)的指針的類。由于C++沒有“通用成員函數(shù)（generic member function）”的類型，所以我把所有類型的成員函數(shù)都轉(zhuǎn)化為一個(gè)在代碼中未定義的CGenericClass類的成員函數(shù)。 大多數(shù)編譯器對所有的成員函數(shù)指針平等地對待，不管他們屬于哪個(gè)類。所以對這些編譯器來說，可以使用reinterpret_cast將一個(gè)特定的成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為一個(gè)通用成員函數(shù)指針。事實(shí)上，假如編譯器不可以，那么這個(gè)編譯器是不符合標(biāo)準(zhǔn)的。對于一些接近標(biāo)準(zhǔn)（almost-compliant）的編譯器，比如Digital Mars，成員函數(shù)指針的reinterpret_cast轉(zhuǎn)換一般會涉及到一些額外的特殊代碼，當(dāng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的成員函數(shù)的類之間沒有任何關(guān)聯(lián)時(shí)，編譯器會出錯(cuò)。對這些編譯器，我們使用一個(gè)名為horrible_cast的內(nèi)聯(lián)函數(shù)（在函數(shù)中使用了一個(gè)union來避免C++的類型檢查）。使用這種方法看來是不可避免的��boost::function也用到了這種方法。 對于其他的一些編譯器（如Visual C++, Intel C++和Borland C++），我們必須將多重（multiple-）繼承和虛擬（virtual-）繼承類的成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為單一（single-）繼承類的函數(shù)指針。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，我巧妙地使用了模板并利用了一個(gè)奇妙的戲法。注意，這個(gè)戲法的使用是因?yàn)檫@些編譯器并不是完全符合標(biāo)準(zhǔn)的，但是使用這個(gè)戲法得到了回報(bào)：它使這些編譯器產(chǎn)生了優(yōu)化的代碼。 既然我們知道編譯器是怎樣在內(nèi)部存儲成員函數(shù)指針的，并且我們知道在問題中應(yīng)該怎樣為成員函數(shù)指針調(diào)整this指針，我們的代碼在設(shè)置委托時(shí)可以自己調(diào)整this指針。對單一繼承類的函數(shù)指針，則不需要進(jìn)行調(diào)整；對多重繼承，則只需要一次加法就可完成調(diào)整；對虛擬繼承...就有些麻煩了。但是這樣做是管用的，并且在大多數(shù)情況下，所有的工作都在編譯時(shí)完成！ 這是最后一個(gè)訣竅。我們怎樣區(qū)分不同的繼承類型？并沒有官方的方法來讓我們區(qū)分一個(gè)類是多重繼承的還是其他類型的繼承。但是有一種巧妙的方法，你可以查看我在前面給出了一個(gè)列表（見中篇）??對MSVC，每種繼承方式產(chǎn)生的成員函數(shù)指針的大小是不同的。所以，我們可以基于成員函數(shù)指針的大小使用模版！比如對多重繼承類型來說，這只是個(gè)簡單的計(jì)算。而在確定unknown_inheritance（16字節(jié)）類型的時(shí)候，也會采用類似的計(jì)算方法。 對于微軟和英特爾的編譯器中采用不標(biāo)準(zhǔn)12字節(jié)的虛擬繼承類型的指針的情況，我引發(fā)了一個(gè)編譯時(shí)錯(cuò)誤（compile-time error），因?yàn)樾枰粋€(gè)特定的運(yùn)行環(huán)境（workaround）。如果你在MSVC中使用虛擬繼承，要在聲明類之前使用FASTDELEGATEDECLARE宏。而這個(gè)類必須使用unknown_inheritance（未知繼承類型）指針（這相當(dāng)于一個(gè)假定的__unknown_inheritance關(guān)鍵字）。例如： FASTDELEGATEDECLARE(CDerivedClass) class CDerivedClass : virtual public CBaseClass1, virtual public CBaseClass2 { // : (etc) }; 這個(gè)宏和一些常數(shù)的聲明是在一個(gè)隱藏的命名空間中實(shí)現(xiàn)的，這樣在其他編譯器中使用時(shí)也是安全的。MSVC（7.0或更新版本）的另一種方法是在工程中使用/vmg編譯器選項(xiàng)。而Inter的編譯器對/vmg編譯器選項(xiàng)不起作用，所以你必須在虛擬繼承類中使用宏。我的這個(gè)代碼是因?yàn)榫幾g器的bug才可以正確運(yùn)行，你可以查看代碼來了解更多細(xì)節(jié)。而在遵從標(biāo)準(zhǔn)的編譯器中不需要注意這么多，況且在任何情況下都不會妨礙FASTDELEGATEDECLARE宏的使用。 一旦你將類的對象指針和成員函數(shù)指針轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)形式，實(shí)現(xiàn)單一目標(biāo)的委托（single-target delegate）就比較容易了（雖然做起來感覺冗長乏味）。你只要為每一種具有不同參數(shù)的函數(shù)制作相應(yīng)的模板類就行了。實(shí)現(xiàn)其他類型的委托的代碼也大都與此相似，只是對參數(shù)稍做修改罷了。 這種用非標(biāo)準(zhǔn)方式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的委托還有一個(gè)好處，就是委托對象之間可以用等式比較。目前實(shí)現(xiàn)的大多數(shù)委托無法做到這一點(diǎn)，這使這些委托不能勝任一些特定的任務(wù)，比如實(shí)現(xiàn)多播委托（multi-cast delegates） [Sutter3]。 靜態(tài)函數(shù)作為委托目標(biāo)（delegate target） 理論上，一個(gè)簡單的非成員函數(shù)（non-member function），或者一個(gè)靜態(tài)成員函數(shù)（static member function）可以被作為委托目標(biāo)（delegate target）。這可以通過將靜態(tài)函數(shù)轉(zhuǎn)換為一個(gè)成員函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。我有兩種方法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，兩種方法都是通過使委托指向調(diào)用這個(gè)靜態(tài)函數(shù)的“調(diào)用器（invoker）”的成員函數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)的。 第一種方法使用了一個(gè)邪惡的方法（evil method）。你可以存儲函數(shù)指針而不是this指針，這樣當(dāng)調(diào)用“調(diào)用器”的函數(shù)時(shí)，它將this指針轉(zhuǎn)化為一個(gè)靜態(tài)函數(shù)指針，并調(diào)用這個(gè)靜態(tài)函數(shù)。問題是這只是一個(gè)戲法，它需要在代碼指針和數(shù)據(jù)指針之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在一個(gè)系統(tǒng)中代碼指針的大小比數(shù)據(jù)指針大時(shí)（比如DOS下的編譯器使用medium內(nèi)存模式時(shí)），這個(gè)方法就不管用了。它在目前我知道的所有32位和64位處理器上是管用的。但是因?yàn)檫@種方法還是不太好，所以仍需要改進(jìn)。 另一種是一個(gè)比較安全的方法（safe method），它是將函數(shù)指針作為委托的一個(gè)附加成員。委托指向自己的成員函數(shù)。當(dāng)委托被復(fù)制的時(shí)候，這些自引用（self-reference）必須被轉(zhuǎn)換，而且使“=”和“==”運(yùn)算符的操作變得復(fù)雜。這使委托的大小增至4個(gè)字節(jié)，并增加了代碼的復(fù)雜性，但這并不影響委托的調(diào)用速度。 我已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上述兩種方法，兩者都有各自的優(yōu)點(diǎn)：安全的方法保證了運(yùn)行的可靠性，而邪惡的方法在支持委托的編譯器下也可能會產(chǎn)生與此相同的匯編代碼。此外，安全的方法可避免我以前討論的在MSVC中使用多重繼承和虛擬繼承時(shí)所出現(xiàn)的問題。我在代碼中給出的是“安全的方法”的代碼，但是在我給出的代碼中“邪惡的方法”會通過下面的代碼生效： #define (FASTDELEGATE_USESTATICFUNCTIONHACK) 多目標(biāo)委托（multiple-target delegate）及其擴(kuò)展 使用委托的人可能會想使委托調(diào)用多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，這就是多目標(biāo)委托（multiple-target delegate），也稱作多播委托（multi-cast delegate）。實(shí)現(xiàn)這種委托不會降低單一目標(biāo)委托（single-target delegate）的調(diào)用效率，這在現(xiàn)實(shí)中是可行的。你只需要為一個(gè)委托的第二個(gè)目標(biāo)和后來的更多目標(biāo)在堆上分配空間就可以了，這意味著需要在委托類中添加一個(gè)數(shù)據(jù)指針，用來指向由該委托的目標(biāo)函數(shù)組成的單鏈表的頭部節(jié)點(diǎn)。如果委托只有一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，將這個(gè)目標(biāo)像以前介紹的方法一樣保存在委托中就行了。如果一個(gè)委托有多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，那么這些目標(biāo)都保存在空間動(dòng)態(tài)分配的鏈表中，如果要調(diào)用函數(shù)，委托使用一個(gè)指針指向一個(gè)鏈表中的目標(biāo)（成員函數(shù)指針）。這樣的話，如果委托中只有一個(gè)目標(biāo)，函數(shù)調(diào)用存儲單元的個(gè)數(shù)為1；如果有n（n>0）個(gè)目標(biāo)，則函數(shù)調(diào)用存儲單元的個(gè)數(shù)為n+1（因?yàn)檫@時(shí)函數(shù)指針保存在鏈表中，會多出一個(gè)鏈表頭，所以要再加一??譯者注），我認(rèn)為這樣做最合理。 由多播委托引出了一些問題。怎樣處理返回值？（是將所有返回值類型捆綁在一起，還是忽略一部分？）如果把同一個(gè)目標(biāo)在一個(gè)委托中添加了兩次那會發(fā)生什么？（是調(diào)用同一個(gè)目標(biāo)兩次，還是只調(diào)用一次，還是作為一個(gè)錯(cuò)誤處理？）如果你想在委托中刪除一個(gè)不在其中的目標(biāo)應(yīng)該怎么辦？（是不管它，還是拋出一個(gè)異常？） 最重要的問題是在使用委托時(shí)會出現(xiàn)無限循環(huán)的情況，比如，A委托調(diào)用一段代碼，而在這段代碼中調(diào)用B委托，而在B委托調(diào)用的一段代碼中又會調(diào)用A委托。很多事件（event）和信號跟蹤（signal-slot）系統(tǒng)會有一定的方案來處理這種問題。 為了結(jié)束我的這篇文章，我的多播委托的實(shí)現(xiàn)方案就需要大家等待了。這可以借鑒其他實(shí)現(xiàn)中的方法??允許非空返回類型，允許類型的隱式轉(zhuǎn)換，并使用更簡捷的語法結(jié)構(gòu)。如果我有足夠的興趣我會把代碼寫出來。如果能把我實(shí)現(xiàn)的委托和目前流行的某一個(gè)事件處理系統(tǒng)結(jié)合起來那會是最好不過的事情了（有自愿者嗎？）。 本文代碼的使用 原代碼包括了FastDelegate的實(shí)現(xiàn)（FastDelegate.h）和一個(gè)demo .cpp的文件用來展示使用FastDelegate的語法。對于使用MSVC的讀者，你可以建立一個(gè)空的控制臺應(yīng)用程序(Console Application)的工程，再把這兩個(gè)文件添加進(jìn)去就好了，對于GNU的使用者，在命令行輸入“gcc demo.cpp”就可以了。 FastDelegate可以在任何參數(shù)組合下運(yùn)行，我建議你在盡可能多的編譯器下嘗試，你在聲明委托的時(shí)候必須指明參數(shù)的個(gè)數(shù)。在這個(gè)程序中最多可以使用8個(gè)參數(shù)，若想進(jìn)行擴(kuò)充也是很容易的。代碼使用了fastdelegate命名空間，在fastdelegate命名空間中有一個(gè)名為detail的內(nèi)部命名空間。 Fastdelegate使用構(gòu)造函數(shù)或bind()可以綁定一個(gè)成員函數(shù)或一個(gè)靜態(tài)（全局）函數(shù)，在默認(rèn)情況下，綁定的值為0（空函數(shù)）。可以使用“！”操作符判定它是一個(gè)空值。 不像用其他方法實(shí)現(xiàn)的委托，這個(gè)委托支持等式運(yùn)算符（==, !=）。 下面是FastDelegateDemo.cpp的節(jié)選，它展示了大多數(shù)允許的操作。CBaseClass是CDerivedClass的虛基類。你可以根據(jù)這個(gè)代碼寫出更精彩的代碼，下面的代碼只是說明使用FastDelegate的語法： using namespace fastdelegate; int main(void) { printf("-- FastDelegate demo --/nA no-parameter delegate is declared using FastDelegate0/n/n"); FastDelegate0 noparameterdelegate(&SimpleVoidFunction); noparameterdelegate(); //調(diào)用委托，這一句調(diào)用SimpleVoidFunction() printf("/n-- Examples using two-parameter delegates (int, char *) --/n/n"); typedef FastDelegate2 MyDelegate; MyDelegate funclist[12]; // 委托初始化，其目標(biāo)為空 CBaseClass a("Base A"); CBaseClass b("Base B"); CDerivedClass d; CDerivedClass c; // 綁定一個(gè)成員函數(shù) funclist[0].bind(&a, &CBaseClass::SimpleMemberFunction); //你也可以綁定一個(gè)靜態(tài)（全局）函數(shù) funclist[1].bind(&SimpleStaticFunction); //綁定靜態(tài)成員函數(shù) funclist[2].bind(&CBaseClass::StaticMemberFunction); // 綁定const型的成員函數(shù) funclist[3].bind(&a, &CBaseClass::ConstMemberFunction); // 綁定虛擬成員函數(shù) funclist[4].bind(&b, &CBaseClass::SimpleVirtualFunction); // 你可以使用”=”來賦值 funclist[5] = MyDelegate(&CBaseClass::StaticMemberFunction); funclist[6].bind(&d, &CBaseClass::SimpleVirtualFunction); //最麻煩的情況是綁定一個(gè)抽象虛擬函數(shù)（abstract virtual function） funclist[7].bind(&c, &CDerivedClass::SimpleDerivedFunction); funclist[8].bind(&c, &COtherClass::TrickyVirtualFunction); funclist[9] = MakeDelegate(&c, &CDerivedClass::SimpleDerivedFunction); // 你也可以使用構(gòu)造函數(shù)來綁定 MyDelegate dg(&b, &CBaseClass::SimpleVirtualFunction); char *msg = "Looking for equal delegate"; for (int i=0; i<12; i++) { printf("%d :", i); // 可以使用”==” if (funclist[i]==dg) { msg = "Found equal delegate"; }; //可以使用”!”來判應(yīng)一個(gè)空委托 if (!funclist[i]) { printf("Delegate is empty/n"); } else { // 調(diào)用生成的經(jīng)過優(yōu)化的匯編代碼 funclist[i](i, msg); }; } }; 因?yàn)槲业拇a利用了C++標(biāo)準(zhǔn)中沒有定義的行為，所以我很小心地在很多編譯器中做了測試。具有諷刺意味的是，它比許多所謂標(biāo)準(zhǔn)的代碼更具有可移植性，因?yàn)閹缀跛械木幾g器都不是完全符合標(biāo)準(zhǔn)的。目前，核心代碼已成功通過了下列編譯器的測試：
Microsoft Visual C++ 6.0, 7.0 (.NET) and 7.1 (.NET 2003) (including /clr 'managed C++'),
GNU G++ 3.2 (MingW binaries),
Borland C++ Builder 5.5.1,
Digital Mars C++ 8.38 (x86, both 32-bit and 16-bit),
Intel C++ for Windows 8.0,
Metroworks CodeWarrior for Windows 9.1 (in both C++ and EC++ modes)
對于Comeau C++ 4.3 (x86, SPARC, Alpha, Macintosh)，能夠成功通過編譯，但不能鏈接和運(yùn)行。對于Intel C++ 8.0 for Itanium能夠成功通過編譯和鏈接，但不能運(yùn)行。 此外，我已對代碼在MSVC 1.5 和4.0，Open Watcom WCL 1.2上的運(yùn)行情況進(jìn)行了測試，由于這些編譯器不支持成員函數(shù)模版，所以對這些編譯器，代碼不能編譯成功。對于嵌入式系統(tǒng)不支持模版的限制，需要對代碼進(jìn)行大范圍的修改。（這一段是在剛剛更新的原文中添加的??譯者注） 而最終的FastDelegate并沒有進(jìn)行全面地測試，一個(gè)原因是，我有一些使用的編譯器的評估版過期了，另一個(gè)原因是??我的女兒出生了！如果有足夠的興趣，我會讓代碼在更多編譯器中通過測試。(這一段在剛剛更新的原文中被刪去了，因?yàn)樽髡吣壳皫缀跬瓿闪巳繙y試。??譯者注) 總結(jié) 為了解釋一小段代碼，我就得為這個(gè)語言中具有爭議的一部分寫這么一篇長長的指南。為了兩行匯編代碼，就要做如此麻煩的工作。唉~！ 我希望我已經(jīng)澄清了有關(guān)成員函數(shù)指針和委托的誤解。我們可以看到為了實(shí)現(xiàn)成員函數(shù)指針，各種編譯器有著千差萬別的方法。我們還可以看到，與流行的觀點(diǎn)不同，委托并不復(fù)雜，并不是高層結(jié)構(gòu)，事實(shí)上它很簡單。我希望它能夠成為這個(gè)語言（標(biāo)準(zhǔn)C++）中的一部分，而且我們有理由相信目前已被一些編譯器支持的委托，在不久的將來會加入到標(biāo)準(zhǔn)C++的新的版本中（去游說標(biāo)準(zhǔn)委員會！）。 據(jù)我所知，以前實(shí)現(xiàn)的委托都沒有像我在這里為大家展示的FastDelegate一樣有如此高的性能。我希望我的代碼能對你有幫助。如果我有足夠的興趣，我會對代碼進(jìn)行擴(kuò)展，從而支持多播委托（multi-cast delegate）以及更多類型的委托。我在CodeProject上學(xué)到了很多，并且這是我第一次為之做出的貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn) [GoF] "Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software", E. Gamma, R. Helm, R. Johnson, and J. Vlissides. I've looked at dozens of websites while researching this article. Here are a few of the most interesting ones: 我在寫這篇文章時(shí)查看了很多站點(diǎn)，下面只是最有趣的一些站點(diǎn)： [Boost] Delegates can be implemented with a combination of boost::function and boost::bind. Boost::signals is one of the most sophisticated event/messaging system available. Most of the boost libraries require a highly standards-conforming compiler. （http://www.boost.org/） [Loki] Loki provides 'functors' which are delegates with bindable parameters. They are very similar to boost::function. It's likely that Loki will eventually merge with boost. （http://sourceforge.net/projects/loki-lib） [Qt] The Qt library includes a Signal/Slot mechanism (i.e., delegates). For this to work, you have to run a special preprocessor on your code before compiling. Performance is very poor, but it works on compilers with very poor template support. （http://doc.trolltech.com/3.0/signalsandslots.html） [Libsigc++] An event system based on Qt's. It avoids the Qt's special preprocessor, but requires that every target be derived from a base object class (using virtual inheritance - yuck!). （http://libsigc.sourceforge.net/） [Hickey]. An old (1994) delegate implementation that avoids memory allocations. Assumes that all pointer-to-member functions are the same size, so it doesn't work on MSVC. There's a helpful discussion of the code here. （http://www.tutok.sk/fastgl/callback.html） [Haendal]. A website dedicated to function pointers?! Not much detail about member function pointers though. （http://www.function-pointer.org/） [Sutter1] Generalized function pointers: a discussion of how boost::function has been accepted into the new C++ standard. （http://www.cuj.com/documents/s=8464/cujcexp0308sutter/） [Sutter2] Generalizing the Observer pattern (essentially, multicast delegates) using std::tr1::function. Discusses the limitations of the failure of boost::function to provide operator ==. （http://www.cuj.com/documents/s=8840/cujexp0309sutter） [Sutter3] Herb Sutter's Guru of the Week article on generic callbacks. （http://www.gotw.ca/gotw/083.htm） 關(guān)于作者Don Clugston 我在澳大利亞的high-tech startup工作，是一個(gè)物理學(xué)家兼軟件工程師。目前從事將太陽航空艙的硅質(zhì)晶體玻璃（CSG）薄膜向市場推廣的工作。我從事有關(guān)太陽的（solar）研究，平時(shí)喜歡做一些軟件（用作數(shù)學(xué)模型、設(shè)備控制、離散事件觸發(fā)器和圖象處理等），我最近喜歡使用STL和WTL寫代碼。我非常懷念過去的光榮歲月：）而最重要的，我有一個(gè)非常可愛的兒子（2002年5月出生）和一個(gè)非常年輕的小姐（2004年5月出生）。 “黑暗不會戰(zhàn)勝陽光，陽光終究會照亮黑暗。” 譯者注 由于本文剛發(fā)表不久，作者隨時(shí)都有可能對文章或代碼進(jìn)行更新，若要瀏覽作者對本文的最新內(nèi)容，請?jiān)L問： http://www.codeproject.com/cpp/FastDelegate.asp 點(diǎn)擊以下鏈接下載FastDelegate的源代碼： http://www.codeproject.com/cpp/FastDelegate/FastDelegate_src.zip
