深入探索C++对象模型(一)

再读《深入探索C++对象模型》笔记。

关于对象

C++在加入封装后(只含有数据成员和普通成员函数）的布局成本增加了多少？

答案是并没有增加布局成本。就像C struct一样，memeber functions虽然含在class的声明之内，却不出现在object中。每一个non-inline member function只会诞生一个函数实体。至于每一个“拥有零个或一个定义的” inline function则会在其每一个使用者(模块)身上产生一个函数实体。

C++在布局以及存取时间上主要的额外负担是由virtual引起的，包括：

virtual funciton机制，用以支持一个有效率的“执行期绑定”（runtime binding）
virtual base class，用以实现“多次出现在继承体系中的base class，有一个单一而被共享的实体”

C++ 对象模式(The C++ Object Model)

在C++中，有两种class data members：static 和 nonstatic，以及三种class member functions：static、nonstatic和virtual。已知下面这个class Point声明：

class Point{

public:

    Point(float xval);

    virtual ~Point();

    float x() const;

    static int PointCount();

protected:

    virtual ostream& print(ostream &os) const;

    float _x;

    static int _point_count;

};

C++对象模型中，nonstatic data members被配置于每一个class object之内，static data members则被存放在所有的class object之外。static和nonstatic function members也被放在所有的class object之外。virtual function则以两个步骤支持之：

1. 每个class产生出一堆指向virtual functions的指针，放在表格之中。这个表格被称为virtual table(vtbl)

2. 每一个class object被安插一个指针，指向相关的virtual table。通常这个指针被称为vptr。vptr的设定和重置都由每一个class的constructor、destructor和copy assignment运算符自动完成。每一个class所关联的type_info object(用以支持runtime type identification, RTTI)也经由virtual table被指出来，通常放在表格的第一个slot处

故上面的声明所对应的对象模型如下：

上图说明了C++对象模型如何应用于Point Class身上，这个模型的主要优点在于它的空间和存取时间的效率。主要缺点是：如果应用程序代码未曾改变，但所用到的class objects的nonstatic data members有所修改(有可能是增加、移除或更改)，那么应用程序代码同样得重新编译。

继承关系可以指定为虚拟(virtual，也就是共享的意思)：在虚拟继承的情况下，base class不管在继承链中被派生(derived)多少次，永远只会存在一个实例(称为subobject)。

class istream : virtual public ios{ ... };

class ostream : virtual public ios{ ... };

对象的差异

C++以下列方法支持多态：

经由一组隐式的转化操作。例如把一个derived class指针转化为一个指向其public base type的指针
经由virtual function机制
经由dynamic_cast和typeid运算符

多态的主要用途是经由一个共同的接口来影响类型的封装，这个接口通常被定义在一个抽象的base class中。这个共享接口是以virtual function机制引发的，它可以在执行期根据object的真正类型解析出到底是哪一个函数实体被调用。

需要多少内存才能表现一个class object?

其nonstatic data members的总和大小
加上任何由于aliginment的需求而填补上去的空间(可能存在于members之间，也可能存在于集合体边界)
加上为了支持virtual而由内部产生的任何额外负担

一个指针(引用)，不管它指向哪一种数据结构，指针本身所需的内存大小是固定的。

举例如下：一个指向ZooAnimal的指针是如何地与一个指向整数得指针或一个指向template Array的指针有所不同的呢？

ZooAnimal *px;

int *pi;

Array<string> *pta;

以内存需求的观点来说，没有什么不同！它们三个都需要足够的内存来放置一个机器地址(通常是个word)。“指向不同类型的各指针”间的差异，既不在其指针表示法不同，也不在其内容(代表一个地址)不同，而是在其所寻址出来的object类型不同，也就是说，“指针类型”会教导编译器如何解释某个特定地址中的内存内容及其大小。

转型(cast)其实是一种编译器指令。大部分情况下它并不改变一个指针所含的真正地址，它只影响“被指出之内存大大小和其内容”的解释方式。

当一个base class object被直接初始化为(或被指定为)一个derived class object时，derived object就会被切割(sliced)以塞入较小的base type内存中，derived type将没有留下任何蛛丝马迹。多态于是不再呈现，而一个严格的编译器可以在编译器解析一个“通过此object而触发的virtual function调用操作”，因而回避virtual机制。如果virtual function被定义为inline，则更有效率上的大收获。