《深度探索C++对象模型》读书笔记（4）

 ***非静态成员函数（Nonstatic Member Functions）***

C++的设计准则之一就是：nonstatic member function至少必须和一般的nonmember function有相同的效率。也就是说，如果我们要在以下两个函数之间作选择：

float magnitude3d(const Point3d *this) ...{ ... }
float Point3d::magnitude3d() const ...{ ... }

那么选择member function不应该带来什么额外负担。因为编译器内部已将“member函数实体”转化为对等的“nonmember函数实体”。下面是magnitude()的一个nonmember定义：

float Pointer3d::magnitude() const
...{
return sqrt(_x*_x + _y*_y + _z*_z);
}
// 内部转化为
float magnitude_7Point3dFv(const Point3d *this)  //已对函数名称进行“mangling”处理
...{
return sqrt(this->_x*this->_x + this->_y*this->_y + this->_z*this->_z);
}

现在，对该函数的每一个调用操作也都必须转换：

obj.magnitude();
// 转换为
magnitude_7Point3dFv(&obj);

对于class中的memeber，只需在member的名称中加上class名称，即可形成独一无二的命名。但由于member function可以被重载化，所以需要更广泛的mangling手法，以提供绝对独一无二的名称。其中一种做法就是将它们的参数链表中各参数的类型也编码进去。

class Point ...{
public:
void x(float newX);
float x();
...
};
// 内部转化为
class Point ...{
void x_5PointFf(float newX);  // F表示function，f表示其第一个参数类型是float
float x_5PointFv();  // v表示其没有参数
};

上述的mangling手法可在链接时期检查出任何不正确的调用操作，但由于编码时未考虑返回类型，故如果返回类型声明错误，就无法检查出来。

 

***虚拟成员函数（Virtual Member Functions）***

对于那些不支持多态的对象，经由一个class object调用一个virtual function，这种操作应该总是被编译器像对待一般的nonstatic member function一样地加以决议：

// Point3d obj
obj.normalize();
// 不会转化为
(*obj.vptr[1])(&obj);
// 而会被转化未
normalize_7Point3dFv(&obj);

 

***静态成员函数（Static Member Functions）***

在引入static member functions之前，C++要求所有的member functions都必须经由该class的object来调用。而实际上，如果没有任何一个nonstatic data members被直接存取，事实上就没有必要通过一个class object来调用一个member function。
这样一来便产生了一个矛盾：一方面，将static data member声明为nonpublic是一种好的习惯，但这也要求其必须提供一个或多个member functions来存取该member；另一方面，虽然你可以不靠class object来存取一个static member，但其存取函数却得绑定于class object之上。

static member functions正是在这种情形下应运而生的。
编译器的开发者针对static member functions，分别从编译层面和语言层面对其进行了支持：
（1）编译层面：当class设计者希望支持“没有class object存在”的情况时，可把0强制转型为一个class指针，因而提供出一个this指针实体：

// 函数调用的内部转换
object_count((Point3d*)0);

（2）语言层面：static member function的最大特点是没有this指针，如果取一个static member function的地址，获得的将是其在内存中的位置，其地址类型并不是一个“指向class member function的指针”，而是一个“nonmember函数指针”：

unsigned int Point3d::object_count() ...{ return _object_count; }
&Point3d::object_count();
// 会得到一个地址，其类型不是
unsigned int (Point3d::*)();
// 而是
unsigned int (*)();

static member function经常被用作回调（callback）函数。

 

***虚拟成员函数（Virtual Member Functions）***

对于像ptr->z()的调用操作将需要ptr在执行期的某些相关信息，为了使得其能在执行期顺利高效地找到并调用z()的适当实体，我们考虑往对象中添加一些额外信息。
（1）一个字符串或数字，表示class的类型；
（2）一个指针，指向某表格，表格中带有程序的virtual functions的执行期地址；
在C++中，virtual functions可在编译时期获知，由于程序执行时，表格的大小和内容都不会改变，所以该表格的建构和存取皆可由编译器完全掌握，不需要执行期的任何介入。
（3）为了找到表格，每一个class object被安插上一个由编译器内部产生的指针，指向该表格；
（4）为了找到函数地址，每一个virtual function被指派一个表格索引值。
一个class只会有一个virtual table，其中内含其对应的class object中所有active virtual functions函数实体的地址，具体包括：

（a）这个class所定义的函数实体
它会改写一个可能存在的base class virtual function函数实体。若base class中不存在相应的函数，则会在derived class的virtual table增加相应的slot。
（b）继承自base class的函数实体
这是在derived class决定不改写virtual function时才会出现的情况。具体来说，base class中的函数实体的地址会被拷贝到derived class的virtual table相对应的slot之中。
（c）pure_virtual_called函数实体
对于这样的式子：

ptr->z();

运用了上述手法后，虽然我不知道哪一个z()函数实体会被调用，但却知道每一个z()函数都被放在slot 4（这里假设base class中z()是第四个声明的virtual function）。

// 内部转化为
(*ptr->vptr[4])(ptr);

 

***多重继承下的Virtual Functions***

在多重继承中支持virtual functions，其复杂度围绕在第二个及后继的base classes身上，以及“必须在执行期调整this指针”这一点。
多重继承到来的问题：
（1）经由指向“第二或后继之base class”的指针（或reference）来调用derived class virtual function，该调用操作连带的“必要的this指针调整”操作，必须在执行期完成；

以下面的继承体系为例：

class Base1 ...{
public:
Base1();
virtual ~Base1();
virtual void speakClearly();
virtual Base1 *clone() const;
protected:
float data_Base1;
};

class Base2 ...{
public:
Base2();
virtual ~Base2();
virtual void mumble();
virtual Base2 *clone() const;
protected:
float data_Base2;
};

class Derived : public Base1, public Base2 ...{
public:
Derived();
virtual ~Derived();
virtual Derived *clone() const;
protected:
float data_Derived;
};

对于下面一行：

Base2 *pbase2 = new Derived;

 会被内部转化为：

// 转移以支持第二个base class
Derived *temp = new Derived;
Base2 *pbase2 = temp ? temp + sizeof(Base1) : 0;

如果没有这样的调整，指针的任何“非多态运用”都将失败：

pbase2->data_Base2;

当程序员要删除pbase2所指的对象时：

// 必须调用正确的virtual destructor函数实体
// pbase2需要调整，以指出完整对象的起始点
delete pbase2;

指针必须被再一次调整，以求再一次指向Derived对象的起始处。然而上述的offset加法却不能够在编译时期直接设定，因为pbase2所指的真正对象只有在执行期才能确定。

自此，我们明白了在多重继承下所面临的独特问题：经由指向“第二或后继之base class”的指针（或reference）来调用derived class virtual function，该调用操作所连带的“必要的this指针调整”操作，必须在执行期完成。有两种方法来解决这个问题：
（a）将virtual table加大，每一个virtual table slot不再只是一个指针，而是一个聚合体，内含可能的offset以及地址。这样一来，virtual function的调用操作发生改变：

(*pbase2->vptr[1])(pbase2);
// 改变为
(*pbase2->vptr[1].faddr)(pbase2 + pbase2->vptr[1].offset);

这个做法的缺点是，它相当于连带处罚了所有的virtual function调用操作，不管它们是否需要offset的调整。

（b）利用所谓的thunk（一小段assembly码），其做了以下两方面工作：（1）以适当的offset值调整this指针；（2）跳到virtual function去。

pbase2_dtor_thunk:
this += sizeof(base1);
Derived::~Derived(this);

Thunk技术允许virtual table slot继续内含一个简单的指针，slot中的地址可以直接指向virtual function，也可以指向一个相关的thunk。于是，对于那些不需要调整this指针的virtual function而言，也就不需要承载效率上的额外负担。

（2）由于两种不同的可能：（a）经由derived class（或第一个base class）调用；（b）经由第二个（或其后继）base class调用，同一函数在virtual table中可能需要多笔对应的slot；

Base1 *pbase1 = new Derived;
Base2 *pbase2 = new Derived;

delete pbase1;
delete pbase2;

虽然两个delete操作导致相同的Derived destructor，但它们需要两个不同的virtual table slots：
（a）pbase1不需要调整this指针，其virtual table slot需放置真正的destructor地址
（b）pbase2需要调整this指针，其virtual table slot需要相关的thunk地址
具体的解决方法是：
在多重继承下，一个derived class内含n-1个额外的virtual tables，n表示其上一层base classes的数目。按此手法，Derived将内含以下两个tables：vtbl_Derived和vtbl_Base2_Derived。

（3）允许一个virtual function的返回值类型有所变化，可能是base type，可能是publicly derived type，这一点可以通过Derived::clone()函数实体来说明。

Base2 *pb1 = new Derived;

// 调用Derived::clone()
// 返回值必须被调整，以指向Base2 subobject
Base2 *pb2 = pb1->clone();

当运行pb1->clone()时，pb1会被调整指向Derived对象的起始地址，于是clone()的Derived版会被调用：它会传回一个指针，指向一个新的Derived对象；该对象的地址在被指定给pb2之前，必须先经过调整，以指向Base2 subobject。
当函数被认为“足够小”的时候，Sun编译器会提供一个所谓的“split functions”技术：以相同算法产生出两个函数，其中第二个在返回之前，为指针加上必要的offset，于是无论通过Base1指针或Derived指针调用函数，都不需要调整返回值；而通过Base2指针所调用的，是另一个函数。

 

***虚拟继承下的Virtual Functions***

其内部机制实在太过诡异迷离，故在此略过。唯一的建议是：不要在一个virtual base class中声明nonstatic data members。

 

***函数的效能***

由于nonmember、static member和nonstatic member函数都被转化为完全相同的形式，故三者的效率安全相同。virtual member的效率明显低于前三者，其原因有两个方面：（a）构造函数中对vptr的设定操作；（b）偏移差值模型。

 

***指向Member Function的指针***

取一个nonstatic member function的地址，如果该函数是nonvirtual，则得到的结果是它在内存中真正的地址。
我们可以这样定义并初始化该指针：

double (Point::*coord)() = &Point::x;

想调用它，可以这么做：

(origin.*coord)();

    (ptr->*coord)();

“指向Virtual Member Functions”之指针将会带来新的问题，请注意下面的程序片段：

float (Point::*pmf)() = &Point::z;
Point *ptr = new Point3d;

其中，pmf是一个指向member function的指针，被设值为Point::z()（一个virtual function）的地址，ptr则被指向一个Point3d对象。
如果我们直接经由ptr调用z()：

ptr->z();  // 调用的是Point3d::z()

但如果我们经由pmf间接调用z()：

(ptr->*pmf)();  // 仍然调用的是Point3d::z()

也就是说，虚拟机制仍然能够在使用“指向member function之指针”的情况下运行，但问题是如何实现呢？
对一个nonstatic member function取其地址，将获得该函数在内存中的地址；而对一个virtual member function取其地址，所能获得的只是virtual function在其相关之virtual table中的索引值。因此通过pmf来调用z()，会被内部转化为以下形式：

(*ptr->vptr[(int)pmf])(ptr);

但是我们如何来判断传给pmf的函数指针指向的是内存地址还是virtual table中的索引值呢？例如以下两个函数都可指定给pmf：

// 二者都可以指定给pmf
float Point::x() ...{ return _x; }  // nonvirtual函数，代表内存地址
float Point::z() ...{ return 0; }  // virtual函数，代表virtual table中的索引值

cfront 2.0是通过判断该值的大小进行判断的（这种实现技巧必须假设继承体系中最多只有128个virtual functions）。
为了让指向member functions的指针也能够支持多重继承和虚拟继承，Stroustrup设计了下面一个结构体：

// 用以支持在多重继承之下指向member functions的指针
struct _mptr ...{
int delta;
int index;
union ...{
ptrtofunc faddr;
int v_offset;
};
};

其中，index表示virtual table索引，faddr表示nonvirtual member function地址（当index不指向virtual table时，被设为-1）。
在该模型之下，以下调用操作会被转化为：

(ptr->*pmf)();
// 内部转化为
(pmf.index < 0)
? (*pmf.faddr)(ptr)  // nonvirtual invocation
: (*ptr->vptr[pmf.index](ptr)  // virtual invocation

对于如下的函数调用：

(pA.*pmf)(pB);  // pA、pB均是Point3d对象

会被转化成：

pmf.iindex < 0
? (*pmf.faddr)(&pA + pmf.delta, pB)
: (*pA._vptr_Point3d[pmf.index].faddr)(&pA + pA._vptr_Point3d[pmf.index] + delta, pB);

 

***Inline Functions***

在inline扩展期间，每一个形式参数都会被对应的实际参数取代。但是需要注意的是，这种取代并不是简单的一一取代（因为这将导致对于实际参数的多次求值操作），而通常都需要引入临时性对象。换句话说，如果实际参数是一个常量表达式，我们可以在替换之前先完成其求值操作；后继的inline替换，就可以把常量直接绑上去。
举个例子，假设我们有以下简单的inline函数：

inline int min(int i, int j)
...{
return i < j ? i : j;
}

对于以下三个inline函数调用：

minval = min(val1,val2);
minval = min(1024,2048);
minval = min(foo(),bar()+1);

会分别被扩展为：

minval = val1 < val2 ? val1 : val2;  // 参数直接代换
minval = 1024;  // 代换之后，直接使用常量
int t1;
int t2;
minval = (t1 = foo()), (t2 = bar()+1),t1 < t2 ? t1 : t2;  //有副作用，所以导入临时对象

inline函数中的局部变量，也会导致大量临时性对象的产生。

inline int min(int i, int j)
...{
int minval = i < j ? i : j;
return minval;
}

则以下表达式：

minval = min(val1, val2);

将被转化为：

int _min_lv_minval;
minval = (_min_lv_minval = val1 < val2 ? val1 : val2),_min_lv_minval;

总而言之，inline函数中的局部变量，再加上有副作用的参数，可能会导致大量临时性对象的产生。特别是如果它以单一表达式被扩展多次的话。新的Derived对象的地址必须调整，以指向其Base2 subobject。