c++ - 抽象类作为接口(interface)，没有 vtable

Question

我想创建一个抽象类来定义类的一些方法。其中一些应该由基类 (Base) 实现，一些应该在 Base 中定义但被 Derived 覆盖，还有一些应该在 Base 中是纯虚拟的以强制在 Derived 中定义。

这当然是抽象类的用途。但是，我的应用程序只会直接使用 Derived 对象。因此，编译器应该在编译时准确地知道要使用哪些方法。

现在，因为这段代码将在 RAM 非常有限的微 Controller 上运行，所以我很想避免实际使用带有 vtable 的虚拟类。从我的测试来看，编译器似乎足够聪明，除非必须，否则至少在某些情况下不会创建 vtable。然而，有人告诉我永远不要相信编译器:是否有可能将其作为编译的必要条件？

下面是一些代码示例:

类

class Base {
  public:
    Base() {}
    virtual ~Base() {};

    virtual int thisMustBeDefined() = 0;
    virtual int thisCouldBeOverwritten() { return 10; }
    int thisWillBeUsedAsIs() { return 999; }
};

class Derived : public Base {
  public:
    Derived() {}
    ~Derived() {}

    int thisMustBeDefined() { return 11; }

};

没有虚表

这没有虚表，这就是我想要的

int main() {
  Derived d;
  d.thisMustBeDefined();
}

是 vtable 1

由于我草率的编码，我错误地强制编译器使用多态性，因此需要一个 vtable。我怎样才能让这个案例抛出错误？

int main() {
  Base * d;
  d = new Derived();
  d->thisMustBeDefined();
}

是 vtable 2

这里我在任何时候都没有引用“Base”类，因此编译器应该知道所有方法都是在编译时预先确定的。但是它仍然创建一个 vtable。这是我希望能够通过编译错误检测到这一点的另一个示例。

int main() {
  Derived * d;
  d = new Derived();
  d->thisMustBeDefined();
}

换句话说，如果我编写的代码导致编译器为我的类生成 vtable，即使用多态性，我希望它是一个编译器错误。

Answer 1

正如评论中已经提到的，您可以使用 CRTP (也称为静态多态性)以避免创建 vtable:

template <typename Der>
class Base {
  public:
    Base() {}
    ~Base() {};

    int thisMustBeDefined() {
        // Will fail to compile if not declared in Der
        static_cast<Der*>(this)->thisMustBeDefined();
    }
    int thisCouldBeOverwritten() { return 10; }
    int thisWillBeUsedAsIs() { return 999; }
};

class Derived : public Base<Derived> {
  public:
    Derived() {}
    ~Derived() {}

    int thisMustBeDefined() { return 11; }

    // Works since you call Derived directly from main()
    int thisCouldBeOverwritten() { return 20; }

};

---

如果函数未在 Derived 中实现，为了使编译器错误更具可读性，您可以使用 this answer 中提供的简单静态检查。 :

#define DEFINE_HAS_SIGNATURE(traitsName, funcName, signature)               \
    template <typename U>                                                   \
    class traitsName                                                        \
    {                                                                       \
    private:                                                                \
        template<typename T, T> struct helper;                              \
        template<typename T>                                                \
        static std::uint8_t check(helper<signature, &funcName>*);           \
        template<typename T> static std::uint16_t check(...);               \
    public:                                                                 \
        static                                                              \
        constexpr bool value = sizeof(check<U>(0)) == sizeof(std::uint8_t); \
    }

DEFINE_HAS_SIGNATURE(thisMustBeDefined, T::thisMustBeDefined, int(*)(void));

并将静态检查添加到 Base 构造函数中:

Base() {
    static_assert(thisMustBeDefined<Der>::thisMustBeDefined, 
                  "Derived class must implement thisMustBeDefined");
}

---

虽然在小型设备上工作时应该考虑一个缺点，并且您同时有多个版本的 Derived 是 Base 中的代码将被复制每个 Derived 实例。

因此，您必须决定对于您的用例而言，什么是更重要的限制。

正如@ChrisDrew 在他们的 comment 中指出的那样，将 thisCouldBeOverwritten() 和 thisWillBeUsedAsIs() 函数移动到 Base 模板类派生的另一个基类将有助于解决该问题。