第18.2章 `virtual` 究竟是什么

1. 三件事，按顺序

virtual 函数不是魔法。它是三个机械事实：

多态类的每个对象都带一个隐藏指针（vptr），指向它所在类的函数指针表。所以这种对象不可能比一个指针更小，而且至少按 alignof(void*) 对齐。
每个多态类在只读数据里有一张表（vtable），每个虚函数一个槽位，按声明顺序排列。它由编译器生成；你从来不用写，也改不了。
虚调用是：读 vptr、读槽位、跳转。两次相关加载而不是一次直接跳转，而且目标地址在运行时才知道，所以不可能通过它内联。

机制就这些。本章其余内容 —— 膨胀、RTTI、__cxa_pure_virtual 符号、ABI —— 全都是由它推出来的。

2. 它的字节代价


struct drawable
{
	virtual ::std::string_view kind() const noexcept = 0;
	virtual ~drawable() noexcept = default;
};

struct point : drawable
{
	double x{}, y{};
	point(double px, double py) noexcept : x{px}, y{py} {}
	::std::string_view kind() const noexcept override { return "point"; }
};

struct square : drawable
{
	double side{};
	explicit square(double s) noexcept : side{s} {}
	::std::string_view kind() const noexcept override { return "square"; }
};


sizeof(drawable)=8 sizeof(point)=24 sizeof(square)=16 through base=point through object=square

算一下：point 是两个 double（16 字节）加 vptr（8）= 24。 square 是一个 double（8）加 vptr（8）= 16。一个只有一个 double 的形状，因为一个函数是虚的，体积翻了一倍；而一旦把它放到 ::std::unique_ptr 后面，它又变成一个指针加分配器头部，再翻一次（第18.1章）。

和本章后面的类型擦除版本对比：一个指针加一个表指针，16 字节， 能装下任何形状，载荷里没有 vptr，头部也不用分配。

3. 为什么 `virtual` 只有配合分配才“划算”

有一种不用堆的 virtual 用法：把派生对象按值放进容器，通过引用调用。


point p{1.0, 2.0};
square q{3.0};
drawable &d = p;                  // dispatch through a reference
::fast_io::io::println(d.kind());  // "point"

这是正确且不分配的，但注意它没有给你什么：类型集合在编译期就固定了，每个变量只有一个静态类型，你没法把一个 point 和一个 square 放进同一个 ::fast_io::vector。你一旦想要“任何可绘制对象的容器”，virtual 能给你的唯一东西就是基类指针，而活得比作用域长的基类指针需要一个拥有者，C++ 的拥有者是 ::std::unique_ptr，而 ::std::unique_ptr 需要 new。

这就是那条链。virtual 本身并不是最贵的部分； virtual 加上异构才是，而异构恰恰是人们选 OOP 时想要的东西。在链条上任何一环断开它 —— 用值代替指针、用类型擦除代替继承 —— 整套代价就消失了。

4. 诚实的代价模型

你要付什么	什么时候	本章里的实测
每个对象 8 字节	永远	`sizeof(square)` 从 8 变 16
每个类一张 vtable	永远	`vtable for square`，`.rodata` 里 48 字节
每个虚函数都被生成	即使从没被调用	12,448 字节死代码（第18.4章）
每次分派一次间接调用	每次调用	不能内联、不能常量折叠、不能跨它向量化
每个类若干 RTTI 对象	永远	3 个类共 6 个 type-info 符号（第18.5章）
`__cxa_pure_virtual` 及其运行时	任何一个纯虚函数	把 `std::terminate`、demangler、`fwrite`、 `fputs`、`abort` 都拉进来

只有一个分派点的程序，这些都不重要。有一千个类型搅在一个插件式层次里的程序，这些就是 200 KB 二进制和 2 MB 二进制的差别，是“瞬间启动”和“从磁盘加载自己的类型名”的差别。

5. 那什么时候可以接受 `virtual`

当你在读遗留代码时。这是整个第18章最诚实的答案： virtual 是一个遗留特性。Qt、MFC、COM 和三十年的库都建立在它之上，你必须能读。
当库的 ABI 要求它时。如果平台递给你一个带虚函数的 struct（COM、某些驱动模型），实现它；不要用它做设计。
当实现集合固定、封闭、且很少，而且对象都活在栈上时。 这时 virtual 就是一个语法更漂亮的 switch —— 而 ::std::variant 加 ::std::visit 能做同样的事，而且根本没有 vptr。
绝不在你正在设计的新抽象里用它。那种情况用函数指针表（第18.6章）：同样的分派机制，但有三个好处：你看得见它、你能把它实例化成常量、而且它不会带来 RTTI、virtual ABI 规则和 __cxa_pure_virtual。

6. 经验法则

写 virtual 之前，先把类型列表写下来。如果列表固定且已知，你要的是标签、variant 或 switch，不是 vtable。
如果列表是开放的（插件、用户提供的回调），你要的是一张你自己拥有的表，这样你能给它定版本、把它放进 .rodata，并让它成为你自己 ABI 的一部分，而不是 C++ 的 ABI。
永远不要“以防万一”把类型做成多态的。那 8 个字节是这个错误里最便宜的部分。
如果必须为分派而继承，让层次浅一些，所有东西都标注（第18.3章），并且永远不要让基类指针逃进你自己的 API。

第18.2章 virtual 究竟是什么