深入探索c++对象模型

第一章关于对象

• c++在布局和存取时间的额外负担主要有virtual引起
  
  - virtual function：运行期动态绑定
  
  - virtual base class ：base class多次出现在派生类中，但只有一个单一而被共享的实体（虚基类）
  
  
  
  

• 对象模型

  • 简单模型：每一个地址slot指向一个成员
    
    

  • 表格模型：数据表和成员函数表

  1. 数据表包含数据本身
  2. 成员函数表包含指向每个成员函数的指针slot
     
     

• 虚函数表
  • 每个class产生一堆指向virtual function的指针，，指针形成一个virtual function table；
  • 每一个class object 添加一个指向virtual function table 的指针vptr
  • 每一个class 关联一个type_info object由虚函数表指出

被指定的object在执行点之前是无法确定类型的，必须通过指针或者引用操作实现

• c++支持多态的方式

  • 隐含转化操作，子类指针赋值给父类指针
  • virtual function
  • dynamic_cast 和 typeid
  • 基类定义接口，通过virtual function方式，在运行时确定object类型并执行相应操作

• 继承后类及对象的内存布局

  • 继承关系
    
    
  • 内存布局
    
    
  • 虚函数表

第二章 构造函数

2.1 default constructor 的构建

• 生成default constructor 的要素：
  
  - 含有member object 且member object 均有default constructor
  
  - class本身无任何constructor，则调用constructor 时编辑器将为class合成一个default constructor
  
  - 以member objects 在class 声明次序调用各个member object 的 default constructor
  
  如果derived class 拥有多个constructor 但是没有default constructor，编译器将扩张每一个consturctor，加入每一个必要的基类default constructor,但不会再合成default constructor

2.1.1“带有default constructor ”的base class ：

• 自动合成default constructor
  
  - class 声明（继承）一个virtual function
  
  - class 派生自一个继承串联，其中至少一个virtual base class

• 自动合成过程
  • 产生一个virtual function table，内放class的virtual functions 地址
  • 每一个class object合成一个pointer（vptr）指向class 的virtual function table
    
    已定义constructor则扩展，未定义则合成default constructor， 保证正确初始化每一个class object 的vptr

2.1.2“带有一个virtual base class”的class

• 在derived class object 的每一个virtual base class 中插入一个指向，经由pointer 和reference 存取virtual base class 的操作由这个指针完整（指向同一份内容）
  
  - 已定义constructor则扩展，未定义则合成default constructor， 保证允许每一个virtual base class 执行器存取操作

• summary:合成 implicit nontrivial default constructor
  • 借用member object 或者 base class 的default constructor
  • 为每一个object 初始化virtual function机制 或者 virtual base机制
  • 除以上以外，如无任何声明constructor 则不会合成default constructor
• 合成的default constructor 中只有base class objects 和member class objects 被初始化，其他nonstatic data member，指针，数组都不会自动初始化
• 解析
  
  ``

1. 不是任何class都会合成 deafault constructor，只有member object 或者 base class 有default constructor 时，或者需要初始化virtual function 机制和virtual base class 机制时，合成default constructor
2. 编译器合成的default constructor 并不会明确初始化每一个data member值
   
   ``

2.2 copy constructor 的构建

• 执行copy constructor的三种情况：
  
  - 赋值
  
  - 作为参数传递
  
  - 作为返回值
• default memberwise initialization
  
  - 对于member data 逐一赋值
  
  - 对于member function 递归调用 memberwise initialization
• 当class 不展现一个“bitewise copy semantics”(如下四种情况)，需要合成copy constructor
  
  0. class 内包含一个member object 且后者（声明或者合成）copy constrctor 时
  
  1. class 继承一个base class 且后者（声明或者合成）copy constrctor 时
  
  2. class 声明至少一个virtual function时
  
  3. class 派生自一个继承串联，其中至少一个virtual base class

2.3 program transformation semantics

• explicit initialization:直接逐位赋值member data

• argument initialization:参数构造临时对象并copy constrcuct
• copy construct and 返回引用

2.4 member initialization list

• initial 时：= 操作符以arguement初始化对象时分为三步：1、以arguement 构造一个 临时对象，2、将临时对象copy给目标对象，3、销毁临时对象

• 初始化顺序是由members声明次序决定的，不是由member list 顺序决定的；
• member list 中初始化先于explicit assignment：即：之后的初始化先于{}内部member data的初始化或者赋值
  
  X::x(int v):j(v){i = j;}j 的初始化先于i的初始化

第三章 the semantaic of data

3.1 data member 绑定

- 局域绑定

3.2 data member layout

- 同一access session 按照声明顺序合并，静态成员不存在class 内部

3.3 data member 存取

- static data member
 > 独立于class 之外，不论是继承virtual base class而来或者函数调用得到的static 都是直接存取，通过指针和通过对象存取是一样的
- nonstatic data member
 > 通过指向对象的指针和对象访问一致的，当访问的member data是一个从virtual base class 继承而来的member时，指针访问在运行时才能确定
- 多重继承
![pointer实现：共享虚基类](http://odfcr7qs4.bkt.clouddn.com/IMG_0073.PNG)
![offset实现：共享虚基类](http://odfcr7qs4.bkt.clouddn.com/IMG_0074.PNG)
- 多重继承的数据布局
![](http://images2015.cnblogs.com/blog/900750/201702/900750-20170211192953869-280093158.png)
- 虚拟继承：
    - 指针方式实现

- 虚函数表首项偏移指向虚基类

3.6 pointer to data member

* &Pointer：：z   “取一个nonstaic data member，得到它在class 中的偏移量”
* &origin.z   “取一个class object 的data menber地址， 得到member在内存中的真正地址”
* 继承层次越深，指针代码执行速度越慢

第四章 the semantics of function

4.1 member 调用方式

* nonstatic member function
  〉 0. 安插this指针
    1. 对nonstatic member function 经由this 指针存取
    2. 将member function 改写成独一无二（name mangling）的外部函数
  - nonstatic member function 与外部函数的访问性能是一样的
* virtual member function
 >  经由对象调用virtual function 被处理为编译绑定，与nonstatic member function的调用方式一致
* static member function
 >  0. 通过指针或者对象调用静态成员函数都被当做一般函数处理
 〉 1. static member function 没有this 指针，被当做一般函数处理

第五章 the semantics of construction destruction and copy

5.1 无继承的对象构造

1. bitwise member copy

1. ADT class 执行default copy constructor，copy constructor， destructor，但是并不产生相应函数

• 构造函数初始化vptr，构造函数不可以虚，构造函数内部调用虚拟函数不能实现多态只能调用本地版本
• 传值方式传回一个local class object 时最好定义一个copy constructor，以避免被NRV优化

5.2 继承体系下的对象构造

• vptr 初始化语义学

  • 在class的constructor 或者 destructor 中调用一个virtual function ，调用的必须是本class 中的那个function实体
  • vptr初始化时间在base class constructor 调用后member initialization list 所列members之前，以保证初始化过程中幻化出完整的基类对象
    
    

• 只有在默认行为不安全或者不正确是才需要设计一个copy assignment operator
  
  

1. dervied class constructor 中所有virtual base class 和base class constructor 被调用
2. 对象vprt被设置，指向相关virtual function table
3. member initialization list 在constructor 内部展开
4. 执行程序直接赋值代码和生成对象的代码

• 不要在虚基类中声明数据，避免copy assignment operator 的不完整性

5.5 semantics of destructor

• 如果class 未声明destructor 且member object 拥有destructor ，编译器自动合成destructor，否则不合成

1. destructor 函数本身最先执行

1. 拥有destructor 的 member class object按声明顺序相反执行自己的destructor
2. object 内带vptr 重置，指向响应基类virtual table
3. 直接上层的nonvirtual base class 以其声明的顺序的逆序执行destructor
4. virtual base class 按照与构造顺序相反的顺序执行destructor

第六章 runtime semantics

6.2 new delete 运算符

- new 和delete 底层以malloc 和free 实现
- new 失败，必须在new 内部完成已分配空间的释放

6.3 临时对象的处理

- 临时对象的销毁，必须在完整表达式求值过程的最后，该完整表达式造成临时对象的生成
- 如果临时对象被reference 对象将残留到reference 生命周期结束

第七章 on the cusp of the object model

template

> member function 只在使用时具现出来
- template class 中所有与类型有关的检验，如果牵涉到template 参数，都将延迟到真正的具现操作发生

异常处理

- exception handing 快速检阅
> 0. throw 子句，发出exception
  1. 多个catch 子句捕获相应类型的exception
  2. try区段处理
- 异常抛出后，控制权转移，函数调用也被推离，在函数堆栈推离前local class objects 的destructor会被调用

直到找到一个吻合的catch子句，或者直到堆栈被unwound而terminate已被调用

- 异常对象以复制构造方式传入catch子句，处理完成后后local excepton object被销毁，处理终结或者将原异常对象继续抛出

RTTI

>  dynamic_cast 通过vptr指向type_info运行时判定类型实现转型，比static_cast代价高但是更安全
>  dynamic_cast 应用于pointer 时，安全转型则直接向下转型，不安全则pointer置0
>  dynamic_cast 应用于reference 时，安全转型则直接向下转型，不安全则返回一个bad_cast exception
>  typeid 返回一个 const reference，类型为type_info,