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
    Commented 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
    Commented 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
    Commented 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
    Commented 23 мар. 2016 в 14:57
  • @VladD чтобы vector<local> инстанцировался, local должен быть доступен на момент компиляции.
    – αλεχολυτ
    Commented 23 мар. 2016 в 14:59
  • @alexolut: Это немного подрывает аргументацию данного ответа, не так ли?
    – VladD
    Commented 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
  • Комментарии не предназначены для расширенной дискуссии; разговор перемещен в чат.
    – Nick Volynkin
    Commented 24 мар. 2016 в 6:05

Ваш ответ

Нажимая «Отправить ответ», вы соглашаетесь с условиями пользования и подтверждаете, что прочитали политику конфиденциальности.

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