8

Поясните, пожалуйста, почему нельзя создать виртуальную шаблонную функцию?

Нашел следующее объяснение:

Member function templates cannot be declared virtual. This constraint is imposed because the usual implementation of the virtual function call mechanism uses a fixed-size table with one entry per virtual function. However, the number of instantiations of a member function template is not fixed until the entire program has been translated. Hence, supporting virtual member function templates would require support for a whole new kind of mechanism in C++ compilers and linkers. In contrast, the ordinary members of class templates can be virtual because their number is fixed when a class is instantiated

То есть теоретически такой функционал реализовать можно, но это потребует серьезного изменения принципов работы существующих компилятор и линковщиков. Или есть и другие причины?

1
  • Отличный вопрос, кстати!
    – VladD
    23 мар 2016 в 13:43

2 ответа 2

10

Простой ответ:

В С++ шаблон функции не является функцией, поэтому шаблон не может быть виртуальным.

В C#/Java/etc используются не шаблоны, а generics. Generic-функция это (одна) функция, поэтому там такой проблемы нет.

Сложный ответ:

В С++ виртуальные функции сделаны так, что их количество прописано в определении базового класса.
Это позволяет присвоить функции некоторый индекс в базовом классе и быстро находить ее по этому индексу.

struct Base {            
  func_t* vft;  // скрытый член класса - массив виртуальных функций
  virtual void f();   
};                    

Base* x = new Derived;         
x->f();
// компилируется в
x->vft[0]();

Если шаблоны будут виртуальными, то вместо перечисления функций в базовом классе надо искать все подстановки шаблона при вызовах функции.
Для этого вместо индексов надо использовать имена, и искать эти имена в хеш-таблице.

struct Base {            
  hash_map<string, func_t> vft;  // скрытый член класса - хеш-таблица виртуальных функций
  template<typename T> virtual void f();   
};                    

Base* x = new Derived;         
x->f<int>();
// компилируется в
x->vft["f<int>"]();

Скорость вызова значительно упадет, т.к. надо будет разрешать коллизии.

Можно использовать идеальную хеш-функцию (без коллизий).

struct Base {            
  func_t* vft;  // скрытый член класса - массив (sic!) виртуальных функций
  virtual void f();   
};                    

Base* x = new Derived;         
x->f();
// компилируется в
x->vft[ideal_hash("f<int>")]();
// ideal_hash(name) выдает индекс массива, без коллизий

Но из-за динамической линковки (.so/.dll) весь исходный код программы недоступен, и при каждой загрузке SO/DLL надо останавливать всю программу, менять хеш-функцию и перестраивать все таблицы, чтобы учитывались типы, которые добавились в этой SO/DLL.


Использование JIT-компилятора может заменять виртуальные вызовы на обычные, и тогда никаких проблем с производительностью вызова не будет.

// вместо x->f(); генерируется
x->Derived::f();
// если доказано что тут может быть только Derived

Но девиртуализация работает только если количество классов мало, и на данный момент эффективных JIT-компиляторов нет. (Те что есть, например в LLVM, не показывают хороших результатов.)

10
  • 1
    По поводу простого ответа — это отсылка к стандарту, а не к мотивации. По поводу сложного ответа — что мешает включить в VMT все реально существующие в коде инстанциации? (Оставляя в стороне вопрос о том, что VMT не является нормативной.)
    – VladD
    23 мар 2016 в 14:50
  • Не-не :) Динамической линковки нет в стандарте. Кроме того, что мешает пользоваться для шаблонов двойной косвенностью? VMT можно оставить для нешаблонных методов.
    – VladD
    23 мар 2016 в 14:52
  • Подождите, а что происходит с .so в случае, когда в .so определён внутренний тип local, и инстанциируется vector<local>? Где лежит код vector<local>?
    – VladD
    23 мар 2016 в 14:57
  • @VladD чтобы vector<local> инстанцировался, local должен быть доступен на момент компиляции.
    – αλεχολυτ
    23 мар 2016 в 14:59
  • @alexolut: Это немного подрывает аргументацию данного ответа, не так ли?
    – VladD
    23 мар 2016 в 14:59
7

Это невозможно сделать в рамках существующих реализаций С++. Так как виртуальные функции реализованы через таблицы указателей на них, компилятор должен иметь возможность сгенерировать функцию при ее определении - чтобы получить указатель.

Так как код шаблонных функций генерируется только при инстанциировании шаблона, компилятор не может заполнить таблицу - у него просто нет указателя.

Шаблонные виртуальные функции потребовали бы полного пересмотра подхода к полиморфизму, и для полной реализации потребовали бы "исполняющей машины" - примерно как Java или С#.

Простой пример (не компилирующийся, естественно):

// file base.h
struct Base {
    template <class T>
    virtual void foo(T ) { }
};

// file derived.h
#include <base.h>
struct Derived : Base {
   template <class T>
   virtual void foo(T ) { };
};

// file foo.cpp 
#include <base.h>
void foo(Base* b) {
    base->foo(42);
}

// file main.cpp
#include <derived.h>
int main() {
    Base* d = new Derived;
    foo(d);
}

В приведенном примере очевидно, что компилятор не может сформировать правильный вызов функции foo().

В комментариях приводится такой аргумент - "А давайте заставим пользователя включать все заголовки всех потомков перед использованием шаблонной функции, а компилятор генерировать все таблицы виртуальных методов для всего дерева base которое он увидел in-place". Но у переданного foo() указателя уже должны быть сформированная таблица. Переформировать ее уже не получится!

1

Ваш ответ

By clicking “Отправить ответ”, you agree to our terms of service and acknowledge that you have read and understand our privacy policy and code of conduct.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками или задайте свой вопрос.