深度探索C++对象模型笔记（二）

1、Default Constructor的构建操作

C++standard：对于class X ，如果没有任何user-declared constructor,那么会有一个default constructor 被暗中（implicitly）声明出来........一个被暗中声明出来的default constructor将是一个trivial（浅薄而无能，没啥用的）constructor......

一个nontrivial default constructor在ARM的术语中就是编译器所需要的那种，必要的话会由编译器合成出来。下面讨论nontrivial default constructor的四种情况。

• 带有default constructor的member class object：如果一个类没有任何constructor，但它内含一个member object，而后者有default constructor，那么这个class的implicit default constructor就是”nontrivial“的。

既然编译器会合成默认构造函数，那么在C++各个不同的编译模块中，编译器如何避免合成出多个默认构造函数（比如一个是a.c文件，另一个是b.c文件）呢？解决办法是吧合成的default constructor、copy constructor、destructor、assignment copy operator都以inline方式完成，一个inline函数有静态链接，不会被文件以外看到。如果函数太复杂，不适合做成inline，就会合成出一个explicit non-inline static实体。

class Foo{public：Foo（）,Foo(int)....};class Bar{public:Foo foo; //内含，不是继承char *str;};void foo_bar(){Bar bar;//Bar::foo必须在此初始化}被合成的Bar default constructor内含必要代码，能够调用class Foo的default constructor，但是它并不产生任何代码来初始化Bar::str，将Bar:foo初始化是编译器的责任，将Bar::str初始化是程序员的责任

程序员定义default constructor，完成初始化

Bar::Bar()  { str = 0; }

编译器会扩张已经存在的constructors，在其中安插一些代码，使得user code在执行之前，先调用必要的default constructor：

//扩张之后的default constructor

Bar::Bar()

{

foo.Foo::Foo();

str = 0;

}

如果有多个class member object都要求constructor初始化操作，C++语言要求以”member object在class中被声明的次序“来调用各个constructor。

• 带有Default Constructor的Base Class：如果一个没有任何constructor的class派生自一个带有default constructor的base class，那么这个derived class的default constructor会被视为nontrivial，并因此需要被合成出来。
• 带有一个VIrtual Function的Class：有两种情况，也需要合成出default constructor：

1. class声明（或继承）一个virtual function
2. class 派生自一个继承串链，其中有一个或更多的virtual base classes

有两个扩张会在编译期间发生：

1. 一个virtual function table会被编译器产生出来，内放class的virtual functions地址
2. 在每一个class object中，一个额外的pointer member会被编译器合成出来，内含相关的class vtbl的地址

此外虚拟操作会被改写，如widget.flip()；会被改写成*widget.vptr[1](&widget) 1表示flip在vtbl中的固定索引，&widget代表要交给被调用的某个flip的函数实体的this指针。

为了让此机制发挥功效，编译器必须为每一个widget（或其派生类）object的vptr设定初值，放置适当的virtual table地址，对于class所定义的每一个constructor，编译器会安插一些代码来做这样的事情。对于未声明任何constructor的classes，编译器合成default constructor，以便正确初始化每一个class object的vptr。

• 带有一个VIrtual Base Class的Class：Virtual Base Class的实现法在不同的编译器之间有极大差异，然而，每一种实现法必须使virtual base class在每一个derived class object中的位置，能够于执行期准备妥当。

有四种情况会导致编译器合成default constructor，C++standard把那些合成物称为implicit nontrivial default constructor，至于没有存在那四种情况而又没有声明任何constructor的classes，我们说它拥有的是implicit trivial default constructor，它们实际上并不会被合成出来。

C++新手一般有两个常见的误解：

1.任何class如果没有定义default constructor，就会被合成出来一个。

2.编译器合成出来的default constructor会明确设定class内每一个data member的默认值

2、Copy Constructor的构建操作

当class object以相同class的另一个object作为初值时，其内部是以所谓的default memberwise（按成员） initialization手法完成的。

就像default constructor一样，C++standard上说，如果class没有声明一个copy constructor，就会有隐含的声明或隐含的定义出现，C++standard把copy constructor区分为trivial何nontrivial两种，只有nontrivial的实体才会被合成于程序之中。决定一个copy constructor是否为trivial的标准在于class是否展现出所谓的”bitwise copy semantics“

• Bitwise Copy Semantics（逐位拷贝）

  Word noun("book");void foo(){Word verb = noun;}很显然verb是根据noun来初始化，如果class Word没有定义一个explicit copy constructor，那么是否会有一个编译器合成的实体被调用呢？这就得看class是否展示出”bitwise copy semantics“。举个例子，如下Word的声明：class Word{public:Word(const char*);~Word(){ delete[] str; }private:int cnt;char* str;};这种情况下并不需要合成一个default copy constructor，因为上述声明展现了bitwise copy semantics，而verb的初始化操作也不需要以一个函数调用收场。如果class Word如下声明：//以下声明并未展示出bitwise copy semanticsclass Word{public:Word(const String&);~Word();private:int cnt;String str;}；其中String声明了一个explicit copy constructor：class String{public:String(const char*);String(const String&);~String();};这种情况下，编译器必须合成出一个copy constructor以便调用member class String object的copy constructor：//一个被合成出来的copy constructorinline Word::Word(const Word& wd){ str.String::String(wd.str);cnt = wd.cnt;}

• 不要Bitwise Copy Semantics

什么时候一个class不展现出来Bitwise Copy Semantics呢？有四种情况：

1. 当class内含一个member object 而后者的class声明有一个copy constructor时（不论是被class设计者明确地声明，还是被编译器合成）；
2. 当class继承自一个base class而后者存在一个copy constructor时（再次强调不论是被明确声明还是被合成而得）
3. 当class声明了一个或多个virtual functions时
4. 当class派生自一个继承串链，其中有一个或多个virtual base class时

前两种情况，编译器需将member或base class的copy constructor调用操作安插到被合成的copy constructor中，情况3和4有点复杂。

重新设定Virtual Table的指针

• 增加一个virtual function table（vtbl），内含每一个有作用的virtual function地址
• 将一个指向vtbl的指针（vptr），安插在每一个class object内

处理Virtual Base Class Subobject

一个class object以另一个object作为初值，而后者有一个virtual base class subobject，也会使bitwise copy semantics失效

3、程序转化语意学

明确的初始化操作

X x0;下面有三个定义，每一个都明显地以x0来初始化void foo_bar(){X x1(x0);X x2 = x0;X x3 = X(x0);}转化阶段有两个1.重写每一个定义，初始化操作被剥除2.class的copy constructor调用操作会被安插进去//可能的程序转换void foo_bar(){X x1;//定义被重写，初始化被剥除X x2;//定义被重写，初始化被剥除X x3;//定义被重写，初始化被剥除//编译器安插x1.X::X(x0);x2.X::X(x0);x3.X::X(x0);}

参数的初始化

C++Standard说，把一个class object当做参数传递给一个函数（或作为一个函数的返回值），相当于以下形式的初始化操作：

X xx = arg；//xx代表形式参数（或返回值），arg代表实参，因此编译器会引入所谓临时对象，并调用copy constructor将其初始化，然后传给函数。

因此，若已知函数及其调用方式如下：

void foo(X x0);

X xx;

foo(xx);

转码之后如下：

X _temp0;

_temp0.X::X(xx);

foo(_temp0);

然而这样的转换只做了一半功夫而已，问题出在foo（）的声明，临时对象先以class X的copy constructor正确设定初值，然后以bitwise方式拷贝到x0这个局部对象中。

解决的办法是修改foo的声明为foo(X& x0);

返回值的初始化

已知函数定义：X bar（）{X xx；//...return xx;}bar（）返回值如何从局部对象拷贝？Stroustrup在cfront的解决方法是一个双阶段转化：1.加上一个额外参数，类型是reference2.在return前安插一个copy constructor操作//函数转化void bar(X& _result)//加上一个额外参数{X xx;xx.X::X();//编译器产生的default constructor调用操作//....处理xx_result.X::XX(xx);//编译器产生的copy constructor调用return;}一个bar（）调用被转化为：X xx = bar（）；转为：X xx；bar（xx）；//注意不必调用default constructor

使用者层面做优化

定义一个“计算用”的constructor，直接计算xx的值：X bar(const T &y, const T &z){return X(y, z);}于是bar（）定义被转换之后，效率会比较高：void bar(X &_result){_result.X::X(y, z);return;}_restult被直接计算出来，而不是经过copy constructor拷贝

在编译器层面做优化

以_result参数取代named return value，即编译器将以上的xx以_result替代:

void bar(X &_result)

{

_result.X::X();//default constructor被调用

//....

return;

}

称为Named Return Value（NRV）优化。由于NRV需要调用默认拷贝构造，因为需要注意不满足此前说的四种情况下，编译器不会合成默认拷贝构造，此时需要我们手动添加拷贝构造，如

pulbic :

inline test(const test& t); 

拷贝构造要还是不要？

已知下面的3D坐标点类：class Point3d{public:Point3d(float x, float y, float z);//...private:float _x, _y, _z;};这个class的设计者应该提供一个explicit copy constructor吗？上述的默认拷贝构造被视为trivial，它没有任何member（或base）class object带有copy constructor，也没有任何virtual base class或virtual function，所以，默认情况下会导致“bitwise copy”。这样效率很高，但安全吗？答案是yes。如果class需要大量的memberwise初始化操作，例如以传值方式返回object，那么提供一个copy constructor的explicit inline函数实体就非常合理（因为需要编译器NRV，参考上一条）实现copy constructor的最简单方法像这样：Point3d::Point3d(const Point3d &rhs){_x = rhs._x;_y = rhs._y;_z = rhs._z;}这没问题，但使用C++ library的memecpy（）会更有效率：Point3d::Point3d(const Point3d &rhs){memecpy（this，&rhs, sizeof(Point3d)）；}然而不管用memcpy还是memeset，如果Point3d声明一个或以上virtual functions，或内含一个virtual base class，那么上述函数将会导致那些“被编译器产生的内部members的初值被改写（如vptr）”：编译器的扩张看起来像是：Shape::Shape(){_vptr_shape = _vtbl_Shape;//memset会将vptr清零memset(this, 0, sizeof(Shape));}因此，若要正确使用memeset和memecpy，需要掌握某些C++ObjectModel语意学知识。（什么时候能用，什么时候不能用，怎么用）

4、成员初始化列表

一下情况，必须使用member initialization list：

• 初始化一个reference member时
• 初始化const member
• 调用base class 的 constructor，而它拥有一组参数
• 调用member class的constructor，而它拥有一组参数

效率不好的使用方式：

class Word{String _name;int _cnt;public:Word(){_name = 0;_cnt = 0;}};Word constructor会先产生一个临时String object，然后将它初始化，再以一个assignment运算符指定给_name，再销毁临时object。更有效的方法：Word::Word : _name(0){_cnt = 0;}会被扩展成：Word:Word(){ _name.String::String(0);_cnt = 0;}这会引导某些程序员十分积极进取地坚持所有member初始化操作必须在初始化列表中完成，甚至是一个行为良好的member如_cnt;成员初始化列表中到底会发生什么事情？C++新手误以为它是一组函数调用，当然它不是！编译器--操作初始化列表，在constructor内添加初始化操作，list中项目的次序是由class中member声明次序决定的，不是由初始化列表的排列次序决定的。因此需要注意一下问题：class X{int i;int j;public://看出问题了吗？X(int vla) : j(val), i(j){}};由于声明次序的缘故，初始化列表中i(j)其实比j(val)更早执行，结果导致i无法预知其值。