C++成员函数调用方式

引言

在C++中，有三种成员函数,按照加入C++的先后顺序排列如下：

nonstatic member functions
virtual member functions
static member functions 经过编译器的处理之后，这三种成员函数的调用方式是不相同的，下边我们一个一个看。

我们提供这样一个类Point3d，作例子：

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class Point3d {
public:
    float magnitude() const;
private:
    float _x;
    float _y;
    float _z;
}

float Point3d::magnitude() const{
    return sqrt(_x * _x + _y * _y + _z * _z);
}

Nonstatic Member Functions

C++有这样一个设计准则：非静态成员函数至少要和一般的非成员函数有相同的效率。也就是说，如下两个函数：

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float magnitude3d(const Point3d* _this){...} //非成员函数
float Point3d::magnitude3d() const {...}     //成员函数

选择第二个函数不应该给程序带来性能上的损失，否则我还不如直接选第一个函数（不让它做类的成员函数）。

那编译器是怎么保证这个原则的呢？答案是编译器内部会把成员函数转换为对等的非成员函数。举个例子，下面是magnitude()的非成员函数版定义：

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float magnitude(const Point3d* _this){
    return sqrt(_this->_x * _this->_x +
                _this->_y * _this->_y +
                _this->_z * _this->_z);
}

乍一看，成员函数版应该效率更高，因为它直接取用_x,_y,_z这三个成员，而非成员函数版要通过指针间接取用。其实不然，因为成员函数版会被编译器内化为非成员函数版，转化步骤如下;

改写函数原型，安插一个额外的参数（this指针）到成员函数。
- 非const的非静态成员函数改写如下：
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  Point3d::magnitude(Point3d *const this)
即添加了一个指针常量this。
- const的非静态成员函数改写如下：
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  Point3d::magnitude(const Point3d* const this)
即添加一个指向常量的指针常量this。

把每一个对非静态数据成员的存取操作改成通过this指针来存取：

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{
    return sqrt(
        this->_x * this->_x +
        this->_y * this->_y +
        this->_z * this->_z
    );
}

将成员函数重新写成一个外部函数。将函数名称通过“mangling”，使它称为程序中独一无二的词汇：
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extern magnitude__7Point3dFv(register Point3d* const this);
经此三步，这个函数的转换就完成了。之后，每个调用操作也会被转换。比如：

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Point3d obj;
Point3d* ptr = &obj;
obj.magnitude();
ptr->magnitude();

以上两个调用操作，就会被分别转换为：

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magnitude__7Point3dFv(&obj);
magnitude__7Point3dFv(ptr);

Virtual Functions

如果magnitude()是一个虚函数，那么以下调用：

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ptr->magnitude()

就会被内部转化为：

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(* ptr->vptr[1])(ptr);

整体其实是通过函数指针调用magnitude()函数；
vptr是编译器产生的指针，指向虚表；
1是虚表slot的索引值，关联到magnitude()函数；
第二个ptr表示this指针。

Static Member Functions

静态成员函数的主要特性是它没有this指针。因为它没有this指针，所以静态成员函数有以下特点：

它不能直接操作类中的非静态成员；
它不能是const、volatile或virtual的；
它不需要经过类的对象来调用（尽管很多时候我们仍是这样调用它）。

如果magnitude()是一个静态成员函数，那么以下调用：

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obj.magnitude();
ptr->magnitude();

会被转换为一般的非成员函数调用，像这样：

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magnitude__7Point3dSFv();

由于缺乏this指针，所以静态成员函数差不多等同于非成员函数。