Наследие Cfront. Полиморфизм
#новичкам

Часто мы говорим о каких-то вещах в С++ и можем сказать, как они работают под капотом. Но стандарт языка не говорит о том, как компиляторы должны реализовывать те или иные фичи. Он только задает требование. Тем не менее подходы к реализации некоторых фичей повторяются в разных компиляторах. И отчасти это так из-за влияния Cfront.

В С++ классический динамический полиморфизм подтипов синтаксически реализуется через виртуальные функции.

class Person {
protected:
    std::string name;
    int age;

public:
    Person(const std::string &n, int a) : name(n), age(a) {}

    virtual void describe() const {
        std::cout << name << " (" << age << " years)";
    }

    virtual ~Person() = default;
};

class Employee : public Person {
    std::string position;

public:
    Employee(const std::string &n, int a, const std::string &pos)
        : Person(n, a), position(pos) {}

    void describe() const override {
        std::cout << name << " (" << age << " years) - " << position;
    }
    ~Employee() override = default;
};

Мы более подробно разбирали полиморфизм в одном из предыдущих постов. Сейчас мы поговорим, как примерно Cfront преобразовывал этот С++ код в С код.

Основные идеи:

1️⃣ Для каждого полиморфного класса формируется статическая таблица виртуальных функций. Это по сути массив указателей на виртуальные "методы" класса, которые Cfront представлял в виде обычных функций. Порядок методов в таблице определялся порядком их объявления в классе.

2️⃣ Нужно каким-то образом связать таблицу для класса с объектом этого класса. Для этого использовалось неявное дополнительное поле класса - указатель на таблицу виртуальных функций или vptr.

Вот как Cfront преобразовывал код выше(примерно, детали могут отличаться):

struct Person {
    // pointer to vtable
    void (**vptr)();
    struct string name;
    int age;
};

struct Employee {
    struct Person base;
    struct string position;
};

В самом первом базовом классе появлялся указатель vptr, который в конструкторе инициализируется правильным адресом нужной таблицы. void (**vptr)() - это тип указателя на указатель на функцию, возвращающую void и не принимающую аргументов.

Но погодите, виртуальные методы как минимум принимают один неявный аргумент this, а как максимум могут самые разнообразные сигнатуры иметь. Почему указатель имеет такой тип?

Ну а как вы еще засунете в один массив разные функции? Их кастили к одному общему типу void(*)(), только так это было возможно:

void (*Person_vtable[])() = {
    (void(*)())Person_describe_impl,
    (void(*)())Person_dtor
};

void (*Employee_vtable[])() = {
    (void(*)())Employee_describe_impl,
    (void(*)())Employee_dtor
};

void Person_describe_impl(const struct Person* this) {
    printf("%s (%d years)", this->name, this->age);
}

void Person_dtor(struct Person* this) {
    String_dtor(this->name);
}

void Employee_describe_impl(const struct Person* this) {
    // cast to proper type
    const struct Employee* emp = (const struct Employee*)this;
    printf("%s (%d years) - %s", emp->base.name, emp->base.age, emp->position);
}

void Person_dtor(struct Person* this) {
    String_dtor(this->position);
    Person_dtor(this->base);
}

Cfront генерировал Сишные реализации методов и клал их в массив, попутно приводя к типу void(*)().

Ну а в месте вызова метода компилятору ничего не мешает сделать каст к нужному типу, так как он знает сигнатуру вызываемого метода:

void print_info(const Person* person) {
    person->describe();
}

void print_info(const struct Person* person) {
    void (*describe_func)(const struct Person*) = 
        (void (*)(const struct Person*))person->vptr[0];
    describe_func(person);
}

В те времена С не был стандартизирован и правила преобразования типов были несколько мягче, поэтому такая магия с приведениями работала.

В наше время не нужна трансляция С++ в С, но тем не менее концепция таблиц виртуальных функций и указателей на них осталась.

Have a legacy. Stay cool

#cppcore #goodoldc #compiler