天方夜谭VCL:多态
天方夜谭VCL: 多态
虫虫我们中国人崇拜龙,所谓“龙生九种,九种各别”。哪九种?《西游记》里西海龙王对孙悟空说:“第一个小黄龙,见居淮渎;第二个小骊龙,见住济渎;第三个青背龙,占了江渎;第四个赤髯龙,镇守河渎;第五个徒劳龙,与佛祖司钟;第六个稳兽龙,与神官镇脊;第七个敬仲龙,与玉帝守擎天华表;第八个蜃龙,在大家兄处砥据太岳。此乃第九个鼍龙,因年幼无甚执事,自旧年才着他居黑水河养性,待成名,别迁调用,谁知他不遵吾旨,冲撞大圣也。”(注:鼍龙是文雅的说法,民间叫法是猪婆龙,也就是扬子鳄。)如果您冲着这九位说一声“Let’s go”,那场面可壮观了,有天上飞的,有水里游的,也有地上爬的。同样是“go”,“go”的具体形式却各不相同,这正是多态“一个接口,多种实现”的典型例子。
多态的实现方法很多,其中C++直接支持的方式有:通过关键字virtual提供虚函数进行迟后联编,以及通过模板(template)实现静态多态性,它们都各有用武之地。我们比较熟悉的是虚函数,这是建构类层次的重要手段,我们也已经分析过虚函数的原理[1]。然而在有些情况下,虚函数的性能并不是最优,故VCL还提供了一种动态(dynamic)函数,用法和虚函数一模一样,只要把virtual换成DYNAMIC就可以了。VCL的帮助文件里说,动态函数跟虚拟函数相比,空间效率占优,时间效率不行,真的吗?其实现原理又是如何呢?我们又应该如何权衡这两者的使用呢?我们将从一个相当一般的角度来讨论这些问题。
虚函数的苦恼
如下类层次来自一个图形绘制程序的一部分。为了方便管理,界面与具体的图形设计分离。各种图形以动态连接库的方式提供,作为插件的形式。这样可以在不重新编译主程序的情况,增加或减少各种图形。
图1 Shape类层次最初Shape的声明是
class Shape { private: int x0, y0; protected: Shape(); virtual ~Shape(); public: int x() const; int y() const; virtual void draw(void *) = 0; virtual int move(int, int); };后来因为功能扩充,添加了两个虚函数。class Shape { private: int x0, y0; protected: Shape(); virtual ~Shape(); public: int x() const; int y() const; virtual int move(int, int); virtual void draw(void *) = 0; virtual void save(void *) const = 0; virtual void load(void *) = 0; };后来又作过一些修改,又添加了若干虚函数。问题就在于,虚函数一但增加,虚拟函数表VFT就会发生变化,这时候,主程序就必须重新编译。更糟糕的是,一旦版本升级,派生自不同版本Shape的图形绝对不可以混用[2]。所以我们可以看到硬盘里充斥着mfc20.dll、mfc40.dll、mfc42.dll……却一个也不能删除,这就是MFC升级所带来的DLL垃圾。怎么办?初步解决
我在网上问过这样的问题,得到的答复主要有:
- 用COM;
- 预先多写一些无用的虚函数,留出扩充空间。
其实上面的方法都能很好地解决这个问题。但是推广看来,也有一定局限性。COM不适合解决类层次过深的情况,预留的空间则是不折不扣的“鸡肋”。
追根究底,这个局限性是因为父类和子类的虚拟函数表VFT之间过强的关联性:子类的VFT的前面一部分必须与父类相同。而当父类和子类不在同一个DLL或EXE中的时候,这个要求是很难满足的。父类一旦改变,子类如果不重新编译,就将导致错误。解决的方法,当然就是取消父类和子类VFT之间的关联性。我设计了一个很笨的解决办法,但可以取消这个关联性,使虚函数保证始终只有2个。
#define Dynamic // Dynamic什么都不是,只是好看一点 struct point { int x, y; }; class dispatch_error{}; class Shape { private: int x0, y0; protected: Shape(); virtual ~Shape(); virtual void dispatch(int id, void* in, void* out); // in和out是函数的输入输出参数,id是每个函数唯一的标记符号,即代号 // 实际运用中,id不一定是整数,也可以是128位UUID,或者字符串等等 public: int x() const; int y() const; Dynamic int move(int dx, int dy) { int r; point p = {dx, dy}; dispatch(-1, &p, &r); return r; } Dynamic void draw(void *hdc) {dispatch(-2, hdc, 0);} Dynamic void save(void* o) const {dispatch(-3, o, 0);} Dynamic void load(void* i) {dispatch(-4, i, 0);} }; void Shape::dispatch(int id, void* in, void* out) { switch(id) { case -1: ... case -2: ... ... default: throw(dispatch_error()); // 若函数不存在则抛出异常 } }如果子类Triangle要改写Shape::draw,那么只需要
void Triangle::dispatch(int id, void* in, void* out) { switch(id) { ... case -2: // 改写Shape::draw ... ... default: Shape::dispatch(id, in, out); //函数不存在则向父类找 } }这样的“Dynamic函数”就解决了前面的问题,只有析构和dispatch这两个虚函数。父类和子类的VFT之间没有关联性,可以自由改动而不会互相影响。
评头论足
我们来对这种解决方案作了评价:的确解决了虚函数的问题,但是也付出了不小的代价:时间效率和可读性,由此也决定了该方案的应用面不广,一般用于
- 虚函数很少或几乎不需改写的情况。这样有助于减少VFT的大小。至于运行速度则没有什么提高,毕竟VFT的访问速度是常数级[vcl_chong.htm#33" name=3>3];
- 父类需要经常更新而子类不方便同步更新,对效率要求又不高的情况。一般的应用程序都可以使用。
从模式(Patterns)的角度来看,这种方法是典型的职责链(Chain of Responsibility)模式[4]:调用请求从最低层子类开始一层层往上传递,直到被处理或者最后抛出异常。这种模式运用非常广泛,比如VCL消息映射[5]和COM中IDispatch接口[6],与上述解决方案的形式都非常相似。
这个解决方案还可以作进一步的完善,以更好地适用于单根结构的框架。比如单根结构的类库,如MFC和VCL,通过RTTI可以找到唯一的父类,那么可以分离数据(函数代号和指针)和代码(调配部分),以简化结构。解决的方法就是典型的表格驱动,有不少书[7,8]都用此来优化COM中IUnkown接口的QueryInte易做图ce。我们引入类DMT来储存函数的代号和指针。
#includeusing namespace std; class DMT { char* const ptr; const DMT* const parent; public: DMT(const DMT* const, const int, ...); ~DMT() {delete []ptr;} short size() const {return *(short*)ptr;} const void* find(int) const; };
图2 类DMT图解
需要特别注意的是DMT::ptr所分配的空间。在32位系统上,对于n个“Dynamic函数”,需要sizeof(short)字节储存n(红色部分),sizeof(void*)*n字节储存函数代号(黄色部分),以及sizeof(void*)*n字节储存函数指针(蓝色部分),一共是sizeof(short) + 2*n*sizeof(void*)字节。子类和父类的DMT可以通过链表形式连接起来。下面我们看看DMT::find和DMT::DMT的实现。
const void* DMT::find(int i) const { const int* begin = (int*)(ptr + sizeof(short)), *p; for(p = begin; p < begin + size(); ++p) if(*(int*)p == i) return *(void**)(p+ size()); // 找到对应的函数代号后,向前跳DMT::size()则是相应的函数指针 return (parent)? parent->find(i): 0; } DMT::DMT(const DMT* const p, const int n, ...) : parent(p), ptr(new char[sizeof(short)+2*n*sizeof(void*)]) // ptr分配的空间大小如前所述 { int* i = (int*)(ptr + 2), c; *(short*)ptr = n; // 往头sizeof(short)字节写入n(红色部分) va_list ap; va_start(ap, n); for(c = 0; c < n; ++c) // 往黄色部分写入函数代号 *(i++) = va_arg(ap, int); typedef void (DMT::*temp_type)(); temp_type temp; for(c = 0; c < n; ++c) // 往蓝色部分写入函数指针 { temp = va_arg(ap, temp_type); *(i++) = *(int*)&temp; } va_end(ap); }下面我们在Shape类层次中应用DMT类。
class Shape { private:
补充:软件开发 , Delphi ,