深入理解成员函数指针

Topling 2024-06-27

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C++ 继承了 C 语言的函数指针，大多数情况下，我们使用 C 函数指针实现回调。在 C++ 中，另有成员函数指针：

struct A {
  int foo(int);
};
int bar(A*, int);
int (A::*pmf)(int) = &A::foo;
int (*pf)(A*,int) = &bar;
int call_pmf(A* a, int x) { return (a->*pmf)(x); }
int call_pf(A* a, int x) { return pf(a, x); }

在 GCC 中，成员函数指针实际上由两个指针构成，实现如下：

struct MemFuncPtr {
    intptr_t func_ptr;
    intptr_t adjust_this_offset;
};

其中 adjust_this_offset 用来在多继承中调整 this 指针，如果没有多继承，或者该 class 为多继承中的第一个class，adjust_this_offset 就为 0。

同时，func_ptr 的最低位用来标识该成员函数指针指向的是否虚函数，如果是虚函数，func_ptr 表示该虚函数在虚表中的(偏移+1)。

因为函数地址都是对齐的，所以有效的函数地址的最低位永远为 0，所以将这个最低位作为是否虚函数的 flag不会有任何歧义。

由此可见，相比普通函数指针，通过成员函数指针调用成员函数，需要一些额外操作，例如以上 call_pmf 函数编译为：

call_pmf(A*, int):
        movq    pmf(%rip), %rax
        addq    pmf+8(%rip), %rdi
        testb   $1, %al
        je      .L39
        movq    (%rdi), %rdx
        movq    -1(%rdx,%rax), %rax
.L39:
        jmp     *%rax

而调用普通函数的 call_pf 编译为：

call_pf(A*, int):
 jmp     *pf(%rip)

由此可见，通过成员函数指针的调用代价远高于常规函数指针，但是，大家对性能的追求是永无止境的，为了解决这个问题，GCC 提供了一个扩展 Feature：Bound member functions。因为在很多 ABI 中，成员函数的调用规范和常规函数是一致的，例如上面 int A::foo(int)和int bar(A*, int)，它们的调用规范是相同的，成员函数的隐式 this 指针是作为常规函数的第一个参数传递的。基于 ABI 的这个特性，GCC 可以将成员函数指针转化为普通函数指针：

typedef int (*pf_t)(A*, int);
pf_t pf = (pf_t)(&A::foo); // GCC 特有，非 C++ 标准

对于虚函数，可以在绑定时就拿到实际的函数地址：

struct B : A {
    virtual ~B();
    virtual int vfoo(int) = 0;
};
typedef int (A::*pmf_t)(int);
pf_t get_vpmf(B* b) { return (pf_t)(pmf_t)(b->*(&B::vfoo)); }

会被编译为：

get_vpmf(B*):
 movq   (%rdi), %rax
 movq 16(%rax), %rax
 ret

这里 get_vpmf 囊括了几乎最复杂的情形：先将有虚函数的 B 的对象的指向虚函数的成员函数指针转化为没有虚函数的基类 A 的成员函数指针，再将其转化为（提取其中的）常规函数指针。

实际应用

在 ToplingDB 的底层算法库 topling-zip 的 BlobStore 中，读取单条数据函数，会根据各种不同的条件有所不同，如果在每次读取中都判断这些条件，会浪费 CPU 时间，所以在加载 BlobStore 对象时，根据生存期内的常量条件，生成不同的(成员)函数，通过(成员)函数指针来调用。这样就自然而然地遇到了这个问题，使用 GCC 的这个 Bound member functions 特性，提前将成员函数绑定到常规函数指针，避免了成员函数指针调用的开销。

其二，在 ToplingZipTable Iterator 中，需要调用 COIndex Iterator 的 Next/Prev，而 COIndex 中的 UintIndex, FixedLenIndex 的 Next/Prev 是非常 trivial 的，而虚函数调用本身需要额外两次内存访问（获取vtab指针，从vtab指针获取 Next/Prev 地址），这就导致虚函数调用本身的相对开销较高，并且 ToplingZipTable 的 Next/Prev 中是在一开始就调用 COIndex 的 Next/Prev 的，所以也无法通过其它语句利用 CPU 的指令级并行能力(pipeline、多发射...)来隐藏这两次内存(CPU Cache)访问的开销。所以，我们也通过 Bound member functions 特性，在创建 COIndex Iterator 时，将其虚函数 Next/Prev 提前绑定，这样提高那么一丢丢性能。