c/c++对象模型大总结：第5-8章、数据成员的存取与布局
深度探索c++對象模型大總結、中
--第五~八章
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作者：July、吳黎明。
聲明：版權所有，侵權必究。
二零一一年三月十八日。
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本文接上一篇 c++對象模型大總結：第1-4章、對象初探與構造函數，而寫。
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第二部分
第五章、數據成員的布局
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????? 已知下面一組數據成員：
class Point3d{
public:
?//…
private:
?float x;
?static List<Point3d*> *freeList;
?float y;
?static const int chunkSize = 250;
?float z;
}
??? 非靜態數據成員在class object中的排列順序將和其被聲明的順序一樣，任何中間介入的靜態數據成員如freeList和chunkSize都不會被放進對象布局中。在上述例子中，每一個Point3d對象由三個float組成，次序是x、y、z。靜態數據成員存放在程序的data segment中，和個別的class object無關。
??? C++標準要求，在同一個access section（也就是private、public、protected等區段）中，members的排列只須符合“較晚出現的members在class object中有較高的地址”這一條即可。也就是說，各個members并不一定得連續排列。什么東西可能會介于被聲明的members之間呢？比如說members的邊界調整時需要填充的一些字節等等。
??? 同時，編譯器還可能會合成一些內部使用的data members，以支持整個對象模型。vptr就是這樣的東西，當前所有的編譯器都把它安插在每一個“內含virtual function的class”的object內。vptr會被放在什么位置呢？傳統上它被放在所有明確聲明的members的最后，不過如今也有一些編譯器把vptr放在class object的最前端。C++ standard允許編譯器把這些內部產生出來的members自由放在任何位置上。
??? C++標準也允許編譯器將多個access sections之中的data members自由排列，不必在乎它們出現在class聲明中的次序。也就是說，下面這樣的聲明中：
class Point3d{
public:
?//…
private:
?float x;
?static List<Point3d*> *freeList;
private:
?float y;
?static const int chunkSize = 250;
private:
?float z;
}
??? 其class object的大小和組成和我們先前聲明的那個相同，但是members的排列次序則視編譯器而定。編譯器可以隨意把y或z或其它什么東西放在第一個，不過大部分的編譯器都沒有這樣做。當前各家編譯器都是把一個以上的access sections連鎖在一起，依照聲明次序，成為一個連續的區塊。access sections的多少，不會招來額外的負擔。例如，在一個section中聲明8個members，或是在8個sections中總共聲明8個members，得到的object大小是一樣的。
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第六章、靜態數據成員的存取
??? Static data members，按照其字面意思，被編譯器提出到class之外，并被視為一個global變量（但只在class生命范圍之內可見）。每一個member的存取許可（private或protected或public），以及與class的關聯，并不會導致任何空間上或執行時間上的額外負擔。
??? 每一個static data member只有一個實體，存放在程序的data segment之中。每次程序取用static data member，就會被內部轉化為對該唯一的extern實體的直接操作：
????? //origin.chunkSize = 250;
????? Point3d::chunkSize = 250;
????? //pt->chunkSize = 250;
????? Point3d::chunkSize = 250;
??? 從指令執行的觀點來看，這是C++語言中“通過一個指針和通過一個對象來存取member，結論完全相同”的唯一一種情況。這是因為“經由member selection operators對一個static data member進行存取操作“只是語法上都一種便宜行事而已。member其實不在class object之中，因此存取static members并不需要通過class object。
??? 如果chunkSize是從一個復雜繼承關系中繼承而來都member，又當如何呢？或許它是一個“virtual base class的virtual base class“（或其它同等復雜的繼承結構）的member也說不定。即使這樣的情況，也是無關緊要的，程序之中對于static members還是只有唯一的一個實體，而其存取路徑依然是那么直接。
??? 若取一個靜態數據成員的地址，會得到一個指向其數據類型的指針，而不是一個指向其class member的指針，因為static member并不內含在一個class object之中。例如：
????? &Point3d：：chunkSize；
會獲得類型如下都內存地址：
????? const int*
??? 如果有兩個classes，每一個都聲明了一個static member freeList，那么當它們都被放在程序的data segment時，就會導致名稱沖突。編譯器的解決辦法是暗中對每一個static data member編碼（這種手法被稱為：name-mangling），以獲得一個獨一無二的程序識別代碼。
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第七章、非靜態數據成員的存取
??? 非靜態數據成員直接存放在每一個class object之中。除非經由明確的（explicit）或暗喻的（implicit）class object，沒有辦法直接存取它們。只要程序員在一個member function中直接處理一個nonstatic data member，所謂“implicit class object”就會發生。例如下面這段代碼：
Point3d Point3d::translate( const Point3d &pt ){
?x += pt.x;
?y += pt.y;
?z += pt.z;
}
??? 表面上所看到的對于x、y、z的直接存取，事實上是經由一個“implicit class object“（由this指針表達）來完成，事實上這個函數的參數為：
//member function的內部轉化
Point3d Point3d::translate( Point3d * const this， const Point3d &pt ){
?this->x += pt.x;
?this->y += pt.y;
?this->z += pt.z;
}
??? 欲對一個非靜態數據成員進行存取操作，編譯器需要把class object的起始地址加上data member的偏移量。比如：
origin._y = 0.0;
地址&origin._y將等于：
&origin + （&Point3d::_y - 1）；
??? 要注意這里都有減1的操作。指向數據成員的指針，其offset值總是被加上1，這樣可以使編譯系統區分出“沒有指向任何數據成員的指針”和“指向第一個數據成員的指針”這兩種情況。
每一個非靜態數據成員的偏移量（offset）在編譯時期即可獲知，甚至如果member屬于一個base class subobject也是一樣，因此，存取一個非靜態數據成員，其效率和存取一個C struct member或一個nonderived class的member也是一樣的。
??? 現在我們看看虛擬繼承。虛擬繼承將為“經由base class subobject“存取class members導入一層新的間接性，譬如：
Point3d *pt3d；
Pt3d->_x = 0.0;
??? 其執行效率在_x是一個struct member、一個class member、單一繼承、多重繼承的情況下都完全相同。但如果_x是一個virtual base class的member，存取速度會慢一些。
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第八章、“繼承“與數據成員
??? 只要繼承不要多態（Inheritance without Polymorphism）
假設有如下三個類及其繼承關系：
class Concreate1{
public:
?//...
private:
?int val;
?char bit1;
};
class Concreate2 : public Concrete1{
public:
?//...
private:
?char bit2;
}
class Concreate3 : public Concrete2{
public:
?//...
private:
?char bit3;
}
??? Concreate1、Concreate2、Concreate3的對象布局情況：
??? C++語言保證”出現在派生類中的base class subobject有其完整原樣性“。Concrete1內含兩個members：val和bit1，加起來5bytes。而一個Concreate1 object實際上用掉8bytes，包括填充用的3bytes，以使object能夠符合一部機器的word邊界。一般而言，邊界調整(alignment)是由處理器來決定的。
??? 然而，Concreate2的bit2實際上卻是被放在填補空間所用的3bytes之后，于是其大小變成12bytes，而不是8bytes，其中6bytes浪費在填補空間上。相同的道理使得Concreate3 object的大小是16bytes，其中9bytes用于填補空間。
加上多態（adding Polymorphism）
??? 假設我們要處理一個坐標點，而不打算在乎它是一個Point2d或Point3d實例，那么我們需要在繼承關系中提供一個virtual function接口：
class Point2d{
public:
?Point2d(float x=0.0, float y=0.0) : _x(x),_y(y){};
?virtual float z(){return 0.0;}
?virtual void z(float){}
?operate+=(const Point2d &rhs){
?_x += rhs.x();
?_y += rhs.y();
?}
protected:
?float _x;
?float _y;
}
class Point3d : public Point2d{
public:
?Point3d(float x=0.0, float y=0.0, float z=0.0) : Point2d(x,y),_z(z){};
?virtual float z(){ return _z; }
?virtual void z(float newZ){ _z = newZ; }
?operate+=(const Point2d &rhs){
?Point2d::operator+=(rhs);
?_z += rhs.z();
?}
protected:
?float _z;
}
??? 只有當我們以多態的方式來處理2d或3d坐標點時，在設計之中導入一個virtual接口才顯得合理。也就是說，寫下這樣的代碼：
void foo( Point2d &p1, Point2d &p2 ){
?//…
?P1 += p2;
?//…
}
??? 其中p1和p2可能是2d也可能是3d坐標點，這并不是以前任何設計所能支持的。這樣的彈性，當然正是面向對象程序設計的中心。同時，支持這樣的彈性，也給我們的Point2d class帶來空間和存取時間的額外負擔：
導入一個和Point2d有關的virtual table，用來存放它所聲明的每一個virtual functions的地址。
在每一個class object中導入一個vptr，提供執行期的鏈接，使每一個object能夠找到相應的virtual table。
??? 加強constructor，使它能夠為vptr設定初值，讓它指向class所對應的virtual table。這可能意味著在derived class和每一個base class的constructor中，重新設定vptr的值。其情況視編譯器的優化的積極性而定。
??? 加強destructor，使它能夠抹消“指向class之相關virtual table“的vptr。要知道，vptr很可能已經在derived class destructor中被設定為derived class的virtual table地址。記住，desturctor的調用次序是反向的：從derived class到base class。
下圖顯示了Point2d和Point3d加上了virtual function之后的繼承布局。此圖把vptr放在base class的尾端：
?????
多重繼承（Multiple Inheritance）
??? 多重繼承不像單一繼承，不容易模塑出其模型。多重繼承的復雜度在于derived class和其上一個base class乃至于上上一個base class…之間的“非自然“關系。例如，考慮下面這個多重繼承所獲得的class Vertex3d：
class Point2d{
public:
?//...
protected:
?float _x;
?float _y;
}
class Point3d : public Point2d{
public:
?//...
ptotected:
?float _z;
}
class Vertex{
public:
?//...
protected:
?Vertex *next;
}
class Vertex3d : public Point3d, public Vertex{
public:
?//...
protected:
?float mumble;
}
至此，Point2d、Point3d、Vertex、Vertex3d的繼承關系如下圖所示：??
?????
??? 多重繼承的主要問題發生于derived class objects和其第二或后繼的base class objects之間的轉換。對于一個多重派生對象，將其地址指定給“最左端base class的指針”，情況將和單一繼承時相同，因為二者都指向相同的起始地址。至于第二個或后繼的base class的地址指定操作，則需要對地址進行調整：加上（或減去，如果downcast的話）介于中間的base class subobject大小，例如：
Vertex3d v3d；
Vertex *pv；
Point2d *p2d；
Point3d *p3d；
那么下面這個指定操作：
?????? pv = &v3d;
需要這樣的內部轉化：
//虛擬C++碼
????? pv = (Vertex *)( ((char *)&v3d) + sizeof( Point3d ) )
而下面都指定操作：
????? p2d = &v3d;
????? p3d = &v3d;
都只需要簡單地拷貝其地址就可以了。下面是該多重繼承的數據布局示意圖：
虛擬繼承（Virtual Inheritance）
??? 下圖是Point2d、Point3d、Vertex、Vertex3d的繼承體系：?
?????
class Point2d{
public:
?//...
protected:
?float _x;
?float _y;
};
class Vertex : public virtual Point2d{
public:
?//...
protected:
?Vertex *next;
};
class Point3d : public virtual Point2d{
public:
?//...
protected:
?float _z;
};
class Vertex3d: public Vertex, public Point3d{
public:
?//...
protected:
?float mumble;
};
??? 在存取派生類的共有的虛擬基類的時候，cfront編譯器會在每一個派生類對象中安插一些指針，每個指針指向一個virtual base class。要存取繼承得來的virtual base class members，可以使用相關指針間接完成。
?????
??? 上面這種實現方式的一個缺點是：每一個對象必須針對每一個virtual base class背負一個額外的指針。然而理想情況下我們希望class object有固定的負擔，不因為其virtual base classes的數目而有所變化。該如何解決這個問題呢？virtual table offset strategy采用了另外一種實現策略：在virtual function table中放置virtual base class的offset（而不是地址），將virtual base class offset和virtual function entries混在一起。virtual function table可經由正值或負值來索引：如果是正值，很顯然就索引到virtual functions；如果是負值，則索引到virtual base class offsets。
??? 一般而言，虛基類最有效的一種運用形式就是：一個抽象的虛基類，其中沒有任何數據成員。
參考資料：
《深度探索C++對象模型》
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的c/c++对象模型大总结：第5-8章、数据成员的存取与布局的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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