C では仮想関数と Vtable はどのように動作しますか?

仮想関数と Vtable の実装の探索

仮想関数は、C のオブジェクト指向プログラミングの重要な側面であり、遅延バインディングと動的ポリモーフィズムを可能にします。ただし、その基本的な実装を理解するのは困難な場合があります。この記事では、仮想関数とそれに関連する vtable の背後にある複雑なメカニズムについて詳しく説明します。

仮想関数の実装

仮想関数は、実行時のポリモーフィズムを実現する上で極めて重要な役割を果たします。メソッドの実際の実装は、オブジェクトのタイプに基づいて実行時に決定されます。この機能は、仮想関数のアドレスを格納するクラス固有のデータ構造である vtable によって容易になります。少なくとも 1 つの仮想関数を含むクラスの各オブジェクトには、メモリ レイアウトの先頭に vptr (仮想ポインタ) が含まれており、対応する vtable のベース アドレスを指します。

Vtable の変更またはアクセス

言語仕様では vtable を明示的に義務付けていませんが、vtable は仮想関数を実装するためにコンパイラーによって一般的に使用されます。 vtable 自体は通常、実行可能ファイルのグローバル データ セクションまたは静的データ セクションに保存され、通常、実行時にその変更は許可されません。 vtable への直接アクセスも、仮想関数呼び出しに固有の安全メカニズムを回避することになるため、許可されません。

Vtable スコープ

Vtable は、少なくとも 1 つの仮想関数を持つクラスに対してのみ作成されます。クラスが基本クラスから仮想関数を継承した場合でも、派生クラスは、継承された仮想関数と定義した追加の仮想関数のアドレスを含む独自の vtable を維持します。

純粋な仮想関数の処理

純粋仮想関数を持つ抽象クラスの場合、言語仕様では処理が未定義のままであり、実装はコンパイラに依存します。一部のコンパイラは vtable エントリに NULL ポインタを挿入する場合がありますが、他のコンパイラはアサーションを発行するダミー メソッドを提供する場合があります。

パフォーマンスへの影響

仮想関数呼び出しに関連するオーバーヘッドは、主に間接関数に起因します。 vptr を介して、および vtable を介して追加レベルの関数ルックアップを使用します。ただし、このオーバーヘッドは主に仮想関数呼び出し自体に限定されており、同じクラス内の非仮想関数のパフォーマンスには大きな影響を与えません。仮想関数をオーバーライドしても、基本クラスの仮想関数を呼び出す場合と比較して、これらの呼び出しの実行時間は変わりません。ただし、派生クラスで追加の仮想関数を定義すると、新しい vtable の作成によりスペースのオーバーヘッドが発生する可能性があります。

これらの実装の詳細を理解することで、開発者は仮想関数と vtable の複雑な動作をより深く理解でき、動的で拡張可能なソフトウェア設計にこれらの機能を効果的に利用できるようになります。

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