第4章：函数语义

从 obj.fn() 里面没有一份 fn 开始

member function code 通常在 program text 中只有共享实现；object 只保存 data 和必要的 runtime metadata。先预测同一个 Point::move 被一百万个对象调用时 object size 是否随函数数量增长，再看 symbol table 与 optimized assembly：调用语法表达 class scope 和隐式对象参数，不表达“函数驻留在对象里”。

4.1 Varieties of Member Invocation

Nonstatic Member Functions

概念上，compiler 为 nonstatic call 加入 this，并把未限定 member access 改写为通过 this 访问。真实 ABI 决定 this 放在哪个 register/stack slot、是否需要 base adjustment。

class Point3d {
public:
    double magnitude() const;
 
private:
    double x_;
    double y_;
    double z_;
};
 
double length(const Point3d& point) {
    return point.magnitude();
}

const member function 的 hidden object parameter 具有只读 view 语义；它不创建 object copy。overload resolution 在 compile time 选出 signature，随后 compiler/linker 需要为该 function 提供唯一 symbol identity。

Name Mangling

C++ 支持 overload，但传统 linker 主要按 symbol name 区分定义，所以 implementation 对签名做 name mangling。编码格式属于 ABI，不是跨 compiler 的标准文本。extern "C" 可选择 C language linkage，但不能让 overload、member function 或 C++ object ABI 自动变成 C API。

Virtual Member Functions

常见 lowering 可理解为：从 object view 读取 vptr，以该 virtual function 的 slot index 取得 target，再把适当 this 传给 target。slot identity 在 class hierarchy 中保持语义对应，override 替换 target，不改变 caller 使用的 interface contract。

Static Member Functions

static member 可通过 Type::fn() 调用；即使写成 object.fn()，也不会把 object address 传入。它适合 factory、class-scoped utility 或访问 static state。不能声明为 virtual，因为没有 object dynamic identity 供 dispatch 使用。

4.2 Virtual Member Functions

Base* view 调用 virtual function 时，至少有两个问题：哪个 final overrider 被选中，以及 incoming Base view 如何变成该 body 所需的 object address。single inheritance 中 adjustment 常为零或固定；multiple/virtual inheritance 让这两步更明显。

struct Drawable {
    virtual void draw() const = 0;
};
 
struct Transformable {
    virtual void reset() = 0;
};
 
struct Sprite final : Drawable, Transformable {
    void draw() const override {}
    void reset() override {}
};
 
Sprite sprite;
Transformable* transformView = &sprite;
transformView->reset();

Virtual Functions under Multiple Inheritance

Transformable* 可能指向 Sprite 内第二个 base subobject，不等于 most-derived address。常见 ABI 在对应 vtable slot 放 thunk：先对 this 做固定 adjustment，再跳到 Sprite::reset。这样同一个 function body 不必为每种 incoming base view 复制业务逻辑。

covariant return 也可能需要 result adjustment：overrider 返回 Derived*，caller contract 要 Base*。不能仅看 target function address判断完整虚调用成本。

Virtual Functions under Virtual Inheritance

virtual base 在不同 most-derived types 中位置可变，adjustment 不一定是编译期常量。ABI 可把 vcall/virtual-base offset 放入 table metadata，由 thunk/load 在 runtime 恢复目标 this。这增加 dependency loads，也让 constructor/destructor phase 的 table state 更复杂。

qualified call 如 view->Base::fn() 显式抑制 virtual dispatch，直接选 Base implementation；对 concrete final object，optimizer 也可能 devirtualize。前者是语言语义改变，后者是在结果不变时消除动态路径，不能混为一谈。

4.3 Function Efficiency

ordinary nonstatic call 与 free function 的主要区别常只是 hidden this，优化后可相同。virtual call 通常多 target load 与 indirect branch，并可能阻碍 inline；multiple/virtual inheritance 还可能有 adjustment。实际成本取决于 branch prediction、target diversity、working set 与 devirtualization。

benchmark 要让各版本做相同工作、阻止 call 被完全消除，并分别观察 instruction count、branch misses、I-cache 和 wall time。若 function body 很大，dispatch 开销可忽略；若 body 只有一两条指令，indirect call 和 missed inline 才可能主导。

4.4 Pointer-to-Member Functions

struct Controller {
    void start(int mode);
    virtual void stop();
};
 
void (Controller::*action)(int) = &Controller::start;
Controller controller;
(controller.*action)(2);

nonvirtual member function pointer 可能包含 code pointer 与 adjustment；pointer-to-virtual-member functions 还可能编码 virtual slot，由应用时 object 的 dynamic table 选 target。因此它的 size 可能大于普通 function pointer，不能安全塞进 void*、整数或跨 ABI wire format。

pointer-to-member functions under multiple inheritance 还要把 supplied object view 调整到声明 class 或 overrider 所需 view。转换规则由语言限制，表示由 ABI 决定。runtime-selected member pointer 通常比直接 call 多 representation decode/adjustment，但若 target set 稳定，processor/optimizer 仍可能预测或去间接化。

pointer-to-member efficiency 应与 virtual interface、std::function、variant dispatch 或 switch 在真实 target distribution 下比较。仅打印 sizeof 不能代表 call latency；要看应用时执行的 loads、adds、indirect branches 和 inlining loss。

4.5 Inline Functions

inline expansion 需要正确映射 formal arguments 和 local variables。actual argument 必须按语言规定求值，不能因为 body 多次引用 formal parameter 就重复执行有副作用的 expression；compiler 可建立 temporary/SSA value。每个 inline site 的 local variable 也必须保持独立 scope、lifetime 和 address identity。

inline int clampIncrement(int value, int low, int high) {
    int next = value + 1;
    return next < low ? low : (next > high ? high : next);
}
 
int result = clampIncrement(readValue(), 0, 100);

这里 readValue() 只能按一次 argument evaluation 参与调用；local next 可被 optimizer 消成 SSA value，但其语义不能与别的 call site 混合。inline 可暴露 constant propagation 和 dead-code elimination，也可能复制 body 导致 code bloat、I-cache pressure 和更慢 build。

现代 inline 还承担 ODR 上允许多个 translation units 出现一致 definition 的作用，是否实际 inline 由 optimizer 决定。hot tiny body、known target 和 profile 支持展开；cold/large body 应保留 call boundary。最终以 optimized output 和 profile 验证。

第4章验证清单

1. 为每个 call 标注 nonstatic/static/virtual/qualified/direct。
2. 写出 hidden this 的 static type、cv/ref qualifiers 与必要 base adjustment。
3. 把 overload resolution、name mangling 和 runtime dispatch 分成三个阶段。
4. 对 virtual call 分别记录 slot selection、final overrider 与 this/result adjustment。
5. multiple inheritance 检查 secondary-base thunk，virtual inheritance 检查 runtime metadata。
6. member-function pointer 不当 raw code pointer，记录 size、encoding 与 application path。
7. benchmark 同时看 direct/virtual/member-pointer 的 branch、inline 和 code-size 影响。
8. inline expansion 验证 actual argument 单次求值、local scope 与 I-cache tradeoff。

小结

• nonstatic member function 通过 hidden this 工作，function code 不复制进每个 object
• name mangling 为 overload/linkage 提供 ABI symbol identity，不是 runtime dispatch
• static member 没有 this，virtual member 才使用 dynamic object identity
• virtual call 要同时解决 slot target 与 this adjustment
• multiple inheritance 常用 thunk 适配 secondary-base view，virtual inheritance 可能需要 runtime offset
• function efficiency 取决于 body、target diversity、branch prediction、inline 与 instruction cache
• pointer-to-member functions 可编码 target、adjustment 或 virtual slot，绝非通用 raw pointer
• inline 必须保持 formal argument 与 local variable 语义，收益和 code growth 都需测量