《深度探索C++对象模型》读书笔记（一）

前言

今年中下旬就要找工作了，我计划从现在就开始准备一些面试中会问到的基础知识，包括C++、操作系统、计算机网络、算法和数据结构等。C++就先从这本《深度探索C++对象模型》开始。不同于《Effective C++》，这本书主要着眼于C++实现的底层机制，因此我在写这个系列时默认读者已经熟悉C++的基本语法（包括类、继承、多态、泛型等等），将更多地介绍C++具体是如何实现这些语法的。这次我就先写第一、二章，之后每读两章都会更新该系列。如果你有什么问题，欢迎在博客的评论版块和我探讨，或者联系我的邮箱：kevinstigma@gmail.com，很乐意与你互相切磋、提高。

第一章：关于对象

在传统的C程序中，采用的是过程式的思维：“数据”和“处理数据的操作（函数）”是分开来声明的，它们二者之间并没有关联性。但到了C++里，倾向于采用独立的“抽象数据类型”（ADT）来实现数据的封装。从代码结构上来看，C++似乎比C要消耗更高的时间和空间成本，但事实未必如此。相比于C，C++在布局和时间上主要的额外负担是由virtual引起的，这分为两部分：

1.virtual function机制用以支持一个有效率的“执行期绑定”。

2.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例”。

接下来，书里介绍了三种的C++对象模式：简单对象模型、表格驱动对象模型、C++对象模型，其中第三种最为编译器所常用，因此在这里主要介绍第三种。

C++对象模型中，非nonstatic data members被配置于每一个class object之内，static data members、function members则被存放在class object之外。编译器为每一个class产生一个表格，表格里是一堆指向virtual functions的指针，该表格我们称之为virtual table(vtbl)；每一个class object被安插一个指针，指向相关的virtual table，这个指针被称为vptr。vptr的设定和重置由constructor、destructor以及copy assignment运算符自动完成。每一个class所关联的type_info object也存放在virtual table之中。

该模型的优点是，它的空间和时间的效率较高；缺点在于，如果应用程序本身的代码未改变，而所用到的class object的nonstatic data members有所修改，那么应用程序的代码同样需要重新编译（因为内存分布发生了改变）。

在接下来的篇幅里，书中探讨了struct和class的区别，对于这个问题可以参考这篇博文：http://blog.csdn.net/omegayy/article/details/7470316。其实struct和class从语法本质上差别并不大，无非是二者的默认继承和默认成员访问级别不同。但从一般来说，我们习惯用struct来代表一些简单数据的集合，用class来代表更为复杂的封装、继承的数据。

与C不同，在C++中，对象的内存分布未必和类中成员的声明顺序一致，比如C++的编译器可能会将protected data members放在private data members前面存储，与声明顺序无关；同理，base classes和derived classes的data members的布局也未有谁先谁后的强制规定。但类中处于同一个access section中的数据，其内存分布顺序是按照声明顺序排列的，只是不同access section之间未必按声明顺序排列。

之后书中花了一些篇幅介绍多态的机制，我觉得熟悉C++的人应当对此并不难理解，在这里不再赘述。

第二章：构造函数语义学

本章主要介绍了C++中构造函数的生成机制。

首先是default constructor，C++的编译器真的会为每一个没有声明构造函数的类生成default constructor吗？其实并不是的。书中指出，只有四种情况，会造成“编译器必须为未声明constructor的classes合成一个default constructor”：

1.member constructor有defualt constructor；

2.base class具有default constructor;

3.该类具有virtual funciton；

4.该类具有一个virtual base class。

在合成的defualt constructor中，只有base class subobjcets和member class objects会被初始化，而所有其他的nonstatic data member（int、int*、char等类型）都不会被初始化。

之后是copy constructor。与defualt constructor一样，编译器并不是为所有无用户定义copy constructor的类都创建copy constructor，如上的四种情况下，编译器才会为class合成copy constructor；否则编译器会执行bitwise copy。

接下来书中介绍了NRV优化以及member initialization list。

对于NRV（Named Return Value）优化，我们可以看一个例子：

假设有一个foo函数：

X foo()

{

    X xx;

    if(...)

        return xx;

    else

        return xx;

}

经过编译器的优化后，代码改成如下样子：

void  foo(X &result)

{

    result.X::X();

    if(...)

    {

        return;

    }

    else

    {

        return;

    }

}

这样就省去了临时对象的默认构造函数、拷贝构造函数、析构函数的成本，从而有助于减少运行时间。另外，有一点要注意的是，NRV优化，有可能带来程序员并不想要的结果，比如当你的类依赖于构造函数或者拷贝构造函数的调用次数时。

关于member initialization list，我们首先需要知道需要它的时机：

1.当初始化一个reference member时；

2.当初始化一个const member时；

3.当调用一个base class的constructor，而它拥有一组参数时；

4.当调用一个member class的constructor，而它拥有一组参数时。

接下来需要注意的一点就是：list中的初始化顺序是由class中member的声明顺序决定的，而不是由initialization list中的排列顺序决定的！这是一个非常容易出错的地方。