候捷-C++程序设计（Ⅱ）兼谈对象模型

目录

• 笔记参考
• 学习目标
• 转换函数与explicit
• pointer-like classes
• function-like classes
• 模板template
• 模板特化与偏特化
• 模板模板参数
• 引用（reference）
• 关于虚指针（vptr）和虚表（vtbl）
• 关于this
• 动态绑定
• const成员函数
• 重载new、delete

笔记参考

本文参考的一些学习笔记：

• C++转换函数（conversion function）
• C++转换函数 （conversion function）与 C++中explicit关键字
• pointer-like classes, 关于智能指针
• C++之Function-Like Classes，仿函数
• C++之模板template
• Specialization模板特化
• C++ 对象的内存布局（上）
• object Model(对象模型):关于vptr和vtbl
• 详解C++重载new, delete

学习目标

学习目标如下：

• 在培养正规、大气的编程素养上继续探讨更多的技巧。
• 泛型编程也是C++的技术主线，探讨template（模板）。
• 深入探索面向对象之继承关系所形成的对象模型，包括this指针、虚指针、虚表以及虚机制造成的多态效果。

转换函数与explicit

设计一个类Fraction表示分数，包含分子和分母，能自动转换为double类型并参与运算，代码如下：

class Fraction
{
public:
	Fraction(int numerator, int denominator = 1)
		:m_numerator(numerator), m_denominator(denominator)
	{
	}
	//转换函数
	operator double() const
	{
		return (double)m_numerator / m_denominator;
	}
	//加操作符重载
	Fraction oprateor + (const Fraction& f)
	{
	        int nNumerator = m_numerator*f.m_denominator + this->m_denominator* f.m_numerator;
	        int nDenominator = m_denominator*m_denominator;
		return Fraction(nNumerator, nDenominator);
	}

private:
	int m_numerator;        //分子
	int m_denominator;      //分母
};

int main()
{
	Fraction f(3,5);
	double sum = 4 + f;
	std::cout << "sum = " << sum << std::endl;   //sum = 4.6
    return 0;
}

考虑将Fraction转化为其string类型，则转换函数的代码如下：

//转换函数
operator string() const
{
	return to_string(m_numerator) + "/" + to_string(m_denominator);
}

//调用转换函数
string str = f ;
std::cout << "Result is: " << str << std::endl; //Result is: 3/5

在c++中，explicit只能用来修饰类的构造函数，被修饰的构造函数的类，不能发生相应的隐式类型转换，只能以显示的方式进行类型转换。

上面的类Fraction如果换一种方法使用就会报错：

int main()
{
	Fraction f(3,5);
	Fraction sum = f + 4;  //Error ambiguous 编译器不知道调用哪个 f可以转为double 4也可以通过构造函数隐式转为Fraction对象

    return 0;
}

如果为类Fraction的构造函数添加explicit关键字：

explicit Fraction(int numerator, int denominator = 1)
	:m_numerator(numerator), m_denominator(denominator)
{
}

Fraction sum = f + 4;  //Error ambiguous +操作符重载函数中4无法转为Fraction

pointer-like classes

pointer-like classes ， 类的行为看起来像指针，有智能指针、迭代器两大类。

注：C++里操作指针的操作符有 -> 和 * ,实质上就是类重载了这两个操作符，使得类的行为看起来像指针。

智能指针的经典实现如下：

template<class T>
class share_ptr
{
public:
    T& operator*() const
    {return *px;}
    T* operator->() const
    {return px;}
    shared_ptr(T* p): px(p){}
private:
    T* px;
    long* pn;
......
};

//使用share_ptr
struct Foo
{
    ......
        void method(void) {......}
};
shared_ptr<Foo> sp(new Foo);
Foo f(*sp);
sp->method();

sp->method(); 智能指针调用method()方法。操作符 -> 属于调用操作符重载，这句就相当于px->method()。操作符->作用在指针对象sp上，得到指针对象px，此时符号->并没有消耗掉可以继续使用。

迭代器的经典实现如下，需要重载 ++、--符号：

template <class T, class Ref， class Ptr>
struct __list_iterator { //这是一个链表
    typedef __list_iterator<T, Ref， Ptr> self;
    typedef Ptr pointer;
    typedef Ref pointer;
    typedef __list_node<T>* link_type;
    link_type node;
    bool operator==(const self& x) const { return node == x.node; }
    bool operator==(const self& x) const { return node != x.node; }
    reference operator*() const { return (*node).data; }
    pointer operator-> const { return &(operator*())}
    self& operator++() { node = (link_type)((*node).next); return *this }
    self& operator++(int) { self tmp = *this; ++*this; return tmp; }
    self& operator--() { node = (link_type)((*node).prep); return *this }
    self& operator--(int) { self tmp = *this; --*this; return tmp; }
};

function-like classes

函数由返回类型、函数名称、参数（小括号，作用在函数名上）和函数主体组成，小括号内含参数这部分也称作函数调用操作符。

如果有个东西能接受小括号操作符，那它就是函数function，或者仿函数function-like。

先认识一下std::pair，它主要的作用是将两个数据组合成一个数据，两个数据可以是同一类型或者不同类型，代码如下：

template <class T1, class T2>
struct pair
{
  T1 first;
  T2 second; //first和second类型不需要一样
  pair() : first(T1()), second(T2()) {}
  pair(const T1& a, const T2& b)
  : first(T1()), second(T2())
......
};

标准库中与pair有关的仿函数如下：

template<class Pair>
struct select1st : public unary_function<Pair, typename Pair::first_type>
{
  const typename Pair::first_type&
  operator() (const Pair& x) const { return x.first; }
};

template<class Pair>
struct select2nd : public unary_function<Pair, typename Pair::second_type>
{
  const typename Pair::second_type&
  operator() (const Pair& x) const { return x.second; }
};

上面的两个类中都包括操作符重载operator()，叫做function-like classes，那么由类创建的对象就叫做函数对象functor。

这两个类各自继承类unary_function，类似的基类还有binary_function，两者的详细内容参考 unary_function和binary_function详解。

总的来说，unary_function这些基类的作用是记录仿函数的参数类型，在例如bind2nd中这很有用处，参考 C++ bind2nd用法。

bind2nd代码如下：

template<typename _Operation, typename _Tp>
    inline binder2nd<_Operation>
    bind2nd(const _Operation& __fn, const _Tp& __x)
    {
      //如果不继承binary_function，就无法获取第二参数
      typedef typename _Operation::second_argument_type _Arg2_type;
      return binder2nd<_Operation>(__fn, _Arg2_type(__x));
    }

模板template

C++中的模板可以分为三类：class template、function template、member template，示例代码如下：

//class template
template<class T1, class T2>
struct pair
{
  typedef T1 first_type;
  typedef T2 second_type;

  T1 first;
  T2 second;

  pair()
  : first(T1()), second(T2()) {}
  pair(const T1& a, const T2& b)
  : first(a), second(b) {}

  //member template
  template<class U1, class U2>
  pair(const pair<U1, U2>& p)
  : first(p.first), second(p.second) {}
};

上面的示例可以这样使用：

模板特化与偏特化

C++中的模板特化不同于模板的实例化，模板参数在某种特定类型下的具体实现称为模板的特化。模板特化有时也称为模板的具体化或全特化，分别有函数模板特化和类模板特化，类模板特化示例如下：

template<class Key>
struct hash {};

template<>
struct hash<char>{
  size_t operator() (char x) const { return x; }
};

template<>
struct hash<int>{
  size_t operator() (int x) const { return x; }
};

template<>
struct hash<long>{
  size_t operator() (long x) const { return x; }
};

//调用
cout << hash<long>() (100) << endl;

模板的偏特化包括两种：个数的偏、范围的偏。

个数的偏：如果模板参数有两个，你想绑定其中一个，示例代码如下：

template<typename T, typename Alloc=...>
class vector
{
...
};

template<typename Alloc=...>
class vector<bool, Alloc> //绑定了T
{
...
};

*注：要按顺序从左到右绑定模板参数，不能跳跃式绑定第一三五个模板参数。

范围的偏：如果接收任意类型的T，你想缩小接收范围为指向任意类型T的指针，示例代码如下：

template<typename T>
class C
{
...
};
//调用
C<string> obj1

template<typename T>
class C<T*>
{
...
};
//调用
C<string*> obj2

模板模板参数

关于模板模板参数，网上有很多文章但都存在一些错误。这里给出我自己的解释，模板模板参数是指模板的参数是一个模板（该模板的模板参数由之前的模板参数指定），后面会专门用一篇文章解释。

一个模板模板参数的示例：

template<typename T, tamplate<typename T> class SmartPtr> //第二个模板参数是一个智能指针
class XCls
{
private:
  SmartPtr<T> sp;
public:
  XCls()
  : sp(new T) {}
};

XCls<string, shared_ptr> p1; //编译通过
XCls<double, unique_ptr> p2; //编译出错
XCls<int, weak_ptr> p3; //编译出错
XCls<long, auto_ptr> p4; //编译通过

一个非模板模板参数的示例：

template<class T, class Sequence = deque<T>>
class stack
{
  friend bool operator== <> (const stack&, const stack&);
  friend bool operator< <> (const stack&, const stack&);

protected:
  Sequence c;
...
};

stack<int> s1;
stack<int, list<int>> s2;

引用（reference）

按我的理解，引用就是漂亮的指针，底层是用指针实现的，但它的实际大小与所引用的数据的大小相同（编译器制造的假象）。

关于虚指针（vptr）和虚表（vtbl）

设置了3个class，A,B,C之间是继承的关系，内存布局如下：

通过new c可以得到p,通过p要调用vfunc1()，因为vfunc1是虚函数，所以编译器不能通过老式的call一个地址(静态绑定),就只能通过动态绑定去寻找这个函数，实际调用过程等价于：

(* (p-vptr)[n])(p);
//或
(* p->vptr[n])(p);

符合下列3个条件则会通过动态绑定调用：

• 是指针
• 向上转型（子类对象用父类指针表示）
• 调用的是虚函数

在单一的继承中，对象的内存布局如下（参考 C++ 对象的内存布局(上)）：

• 虚函数表在最前面的位置。
• 成员变量根据其继承和声明顺序依次放在后面。
• 在单一的继承中，被overwrite的虚函数在虚函数表中得到了更新。

在多重继承中，对象的内存布局如下（参考 C++ 对象的内存布局(上)）：

• 每个父类都有自己的虚表。
• 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。
• 内存布局中，其父类布局依次按声明顺序排列。
• 每个父类的虚表中的f()函数都被overwrite成了子类的f()。这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。

关于this

通过一个对象调用函数，这个对象的地址就是this。this指针是“成员函数”的第一个隐藏参数，由编译器自动给出。

友元函数没有 this 指针，因为友元不是类的成员，只有成员函数才有 this 指针。

动态绑定

在这里重复一下动态绑定调用的条件：

• 是指针
• 向上转型（子类对象用父类指针表示）
• 调用的是虚函数

需要注意，虚函数并不一定都是动态调用，必须符合上面这3个条件。

const成员函数

关于const成员函数记住以下规则即可：

	const object （data members 不得变动）	non-const object （data members可变动）
const member functions （保证不更改data members）	√	√
non-const member functions （不保证 data members 不变）	×	√

常成员函数的const和non-const版本同时存在，const** object 只会（只能）调用const版本，non-const object 只会（只能）调用non-const版本。**

例如 class template std:：basic_string<...> 有如下两个member functions：

charT
operator[] (size_type pos) const
{……/*不必考虑COW*/}

reference
operator[] (size_type pos)
{.../*必须考虑COW*/}

//COW:Copy On Write

上面这两个函数是重载关系，同时也验证了const是函数签名的一部分。

关于const的更多介绍可以参考以下文章：

• C++——const详解
• C++ static、const 和 static const 类型成员变量声明以及初始化

重载new、delete

new、operator new、**placement new是三个不同概念，区别如下：

• new是一个关键字，主要做三件事：分配空间（调用operator new分配空间）、初始化对象、返回指针。
• operator new是一个操作符，和 + - 操作符一样，作用是分配空间。
• placement new是operator new的一种重载形式。

一个完整的重载new、delete示例，来自 详解C++重载new, delete：

class Foo {
public:
	Foo() { std::cout << "Foo()" << std::endl; }
	virtual ~Foo() { std::cout << "~Foo()" << std::endl; }

	void* operator new(std::size_t size)
	{
		std::cout << "operator new" << std::endl;
		return std::malloc(size);
	}

	void* operator new(std::size_t size, int num)
	{
		std::cout << "operator new" << std::endl;
		std::cout << "num is " << num << std::endl;
		return std::malloc(size);
	}

	void* operator new (std::size_t size, void* p)
	{
		std::cout << "placement new" << std::endl;
		return p;
	}

	void operator delete(void* ptr)
	{
		std::cout << "operator delete" << std::endl;
		std::free(ptr);
	}

};

int main()
{
	Foo* m = new(100) Foo;
	Foo* m2 = new(m) Foo;
	std::cout << sizeof(m) << std::endl;
	//delete m2;
	//::delete m;//强制调用全局的delete函数
	delete m;
	return 0;

}