《深度探索C++对象模型》读书笔记（二）

第三章：Data语意学

这一章主要讲了类中的数据在内存中是如何分配的，包括（多重）继承和多态。

让我们首先从一段代码开始：

class X{};
class Y :virtual public X{};
class Z :virtual public X{};
class A :public Y, public Z{};
std::cout << sizeof(X) << std::endl;
std::cout << sizeof(Y) << std::endl;
std::cout << sizeof(Z) << std::endl;
std::cout << sizeof(A) << std::endl;

在VS2013上输出的结果为1,4,4,8。为什么会这样呢？这就涉及到编译器针对C++语法而采取的对象模型。X虽然是一个空类，但为了使它的对象具有地址，编译器实际上是会为它的对象分配1个字节大小的空间，因此它的大小为1。Y和Z是对X的虚拟继承，编译器会为它们各分配一个指针，指向X的对象，因此它们的大小为4.A同理，它是Y和Z的多重继承，因此编译器会为它分配两个指针，所以它的大小为8.内存分布如图所示：

书中还提到了一种模型，其输出的结果为1,8,8，12。这种模型的思路是给每一个空类分配1 byte的空间，再考虑到4 byte的alignment，因此可以推导出书中的结果，在这里不再赘述。

关于类中Member的布局，C++ Standard是这样规定的：static data members不会被放到对象的布局之中；在同一个access section(public、private、protected等区段)，member的排列是按照声明顺序分布的，但不一定是连续排列（因为存在alignment）；同时，对于不同的access section，它们的data members自由排列，不必在乎声明顺序（也就是说access section之内是按照声明顺序排列，而access section之间自由排列）。

之后，书中讨论了单一继承、多态、多重继承、虚拟继承下类中内存分布的表现，这也是本章的重中之重。

这是一个很简单的程序：

Point3d origin;
origin.x=0.0;

　执行这段程序所需要的时间和空间代价，随x的性质而不同。让我们分情况讨论：

1.x是static data members

类的每个static成员都只有一个实例，存放在程序的data segment之中，和对象无关；因此对于这种情况，对x的存取并不会招致任何空间和时间上的额外负担。

2.x是 nonstatic data members

访问类的nonstatic data members时，实际上编译器做了如下工作：

//源代码
origin.x=0.0;
//编译后的代码
*(&origin+(&Point3d::x))=0.0;

也就是说，为了得到x的地址，编译器需要将origin的起始地址加上x的地址偏移量。（实际上，起码在VS里用&Point3d::x来表示偏移量是有问题的，但思想可以先这样理解）

 3.x是基类的变量，没有多态与多重继承

在有继承的情况下，可能会导致空间上的浪费。我们来看这样一个例子：

这个类中存有一个int和三个char，如果我们把这些变量都放到一个类中声明，那么算上alignment，它的对象大小为8字节。

假设我们要继承：

那么Concrete3的对象的大小将达到16字节，比原先的设计多了100%！

这是因为alignment导致的，因为C++的对象模型中，在一个继承而来的类的内存分布里，各个基类需要分别遵循alignment，从而导致了空间的浪费。具体地对象布局可见下图：

4.加上多态

在这种情况下，无论是时间还是空间上，访问类的成员都会带来一定额外的负担，主要体现在以下几个方面：

1.virtual table，用来存放它所声明的每一个virtual functions的地址。

2.每一个对象中会有一个vptr，提供执行期的链接。

3.编译器会重写constructor和destructor，使其能够创建和删除vptr。

5.多重继承

   在多重继承的条件下，对于指针之间的赋值需要运行时计算。举个例子，以下的继承结构：

我们声明几个对象和指针并赋值:

Vertex3d v3d;
Vertex *pv;
Point2d *p2d;
Point3d *p3d;
pv=&v3d;
p2d=&v3d;'
p3d-&v3d;

　　对于p3d和p2d的赋值，只需要直接将v3d的地址赋过去就好。但对于pv的赋值，编译器需要计算一个Vertex在Vertex3d中的偏移量，从这个偏移量起始来得到pv的地址。因为类之间的内存分布如下所示:

Vertex3d中Vertex部分的起始地址并不是Vertex3d对象的起始地址，因此对pv赋值需要一个运行时计算的开销。

6.虚拟继承

    在虚拟继承中，C++对象模型将Class分为两个区域，一个是不变区域，直接存储在对象中；一个是共享区域，存储的是virtual base class subobjects，它在内存中单独存储在某处，derived class object持有指向它的指针。在cfront编译器中，每一个derived class object中安插一些指针，每个指针指向一个virtual base class，为此需要付出相应的时间和空间成本。如下所示：

//具体的类同上一节多重继承，不同的是Vertex和Point3d虚拟继承了Point2d
void Point3d::operator+=(const Point3d&rhs)
{
    x+=rhs.x;
    y+=rhs.y;
    z+=rhs.z;
}

//编译器翻译后的版本
_vbcPoint2d->x+=rhs._vbcPoint2d->x;
_vbcPoint2d->y+=rhs._vbcPoint2d->y;
z+=rhs.z;

　　这只是最基本的解决方案，书中还提出了一些编译器优化时间和空间的方法，感兴趣可以深入阅读一下。

最后，书中探讨了如何获得类中某个成员的地址偏移。我在这里就总结两种方法：

1.((int)&((structure*)0)->member)

2.先通过 int Test::* pOffset = &Test::x;获取偏移变量，再利用reinterpret_cast<int>(*(void**)(&pOffset))将其转化为整形量。