《深度探索C++对象模型》读书笔记——关于对象【for_wind】

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1、C与C++的区别：

      概括来说，C程序中程序性地使用全局数据[注1]。而C++采用ADT（abstract data tpye）或class hierarchy的数据封装。

      加上封装后，C++在布局以及存取时间上的主要额外负担是由virtual引起的（见本文3、加上继承部分）。

      包括：

（1）virtual function机制（用以支持一个有效率的“执行期绑定”（runtime binding））

（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体”）。

[注1]：

      在C语言中，“数据”和“处理数据的操作（函数）”是分开来声明的，其语言本身并没有支持“数据和函数”直接的关联性。程序性：由一组“分布在各个以功能为导向的函数中”的算法所驱动，它们处理的是共同的外部数据。

2、C++对象模式

      C++中有两种class data members：static、nostatic，以及三种class member functions：static、nonstatic 和virtual。

• nonstatic data members被配置于每一个class object之内；
• static data members则被存在在所有calss object之外，
• static和 non static function members也被放在所有class object之外。

      virtual function则以两个步骤支持：

（1）virtual table（vtbl）：每个class 产生出一堆指向virtual functions的指针，放在该表格内。

（2）vptr：每个class object 被添加一个指向相关virtual table的指针。vptr的设定和重置都由每个class 的constructor、destructor和copy assignment运算符自动完成。每个class所相关的type_info object（用以支持runtime type identification）也经由virtual table被指出来，通常放在表格第一个slot处。

举例：

#include <iostream>using namespace std;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;};

根据上述，下图给出一个基本C++对象模型。

下图给出VS2010中class Point的内存布局[注]：

可以发现，

 （1）float _x;被放在class Point之内。

（2） static int _point_count; Point (float xval); float x() const;static int PointCount();不在class Point之内，即放在所有class object外面。 

（3）virtual table有两项，表示 virtual ~Point();virtual ostream& print(ostream &os) const;

（4）VS编译器添加了指向相关virtual table的指针vfptr放在class object中，位置在data members的前面。

在“Microsoft Visual C++”的编译环境中，我们可以利用编译器“cl”、链接器“link”、可执行文件查看器“dumpbin”来查看Windows下可执行文件（COFF格式）的变量、函数怎么存储。

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[注]：

      “cl”即Visual C++ 的编译器，即“Compiler”的缩写。在Visual Studio 2010安装完后，会有一个批处理文件用来建立运行这些工具所需要的环境。它位于开始/程序/Microsoft Visual Studio 2010/Visual Studio Tools/Viusual Studio 2010 Command Prompt,这样我们就可以利用命令行使用VC++的编译器了。

      在“cl”编译器中有个编译选项可以查看C++类的内存布局，使用如下：打开Visual Studio的命令行提示符即Viusual Studio 2010 Command Prompt，cd到文件目录下后，按如下格式输入：

>cl [name.cpp] /d1reportSingleClassLayout[classname]

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3、加上继承

（单一继承、多重继承、虚继承[注]）

      设想一下两种可能的模型：

（1）简单对象模型，derived class object内的一个slot指出每一个base class （该slot内含base class subobject的地址）。优点是class object的大小不会因base classes的改变而受到影响。缺点是因为间接性而导致空间和存取时间上的额外负担。

（2）base table模型：很像virtual table 内含每一个virtual function的地址，base class table的每一个slot含有一个相关的base class地址。每一个class object内含有一个bptr，被初始化后指向其base class table。 

      不管采用那种模型，“间接性”的级数都将因为继承的深度而增加。

单一继承、多重继承：

      C++最初采用的继承模型并不运用任何间接性：即base class subobject的data members被直接放在derived class object中。这（直接复制模型）提供了对base class 最紧凑而最有效率的存取。缺点是base class members的任何改变后，所有用到此base class或其derived class的objects者必须重新编译。

虚继承：

      那么对于C++2.0新加入的virtual base class呢？

      需要一些间接性的base class表现方法。其原始模型是在class object中为每一个有关联的virtual base class 加上一个指针。其他演化的模型则若不是导入一个virtual base class table，就是扩充原来已经存在的virtual table，以便维护每一个virtual base class的位置。

总结：

      对于单一继承、多重继承采用直接复制模型，对于虚继承则（在直接复制模型的基础上）选择两种间接性模型之一。

      那么VS编译器选择哪种继承模型呢？

      答案是：virtual base class table模型，具体分析见下一篇）

注：

      在虚继承的情况下，base class不管在继承串链中被派生多少次，永远只会存在一个实体（subobject）。

4、对象的差异

编程范式：

      C++程序设计模型直接支持三种programming paradigms（编程范式）：

（1）程序模型（procedural model）：与C一致；

（2）抽象数据类型（abstract data type model，ADT）：抽象数据类型是与表示无关的数据类型，是一个数据模型及定义在该模型上的一组运算；其处理的是一个拥有固定而单一的类型的实体，在编译时期就已经完全定义好了。

（3）面向对象模型（object-oriented model）：在此模型中有些彼此相关的类型，通过一个抽象的base class（用以提供公共接口）被封装起来。原则上，被指定的object的真实类型在每一个特定执行点之前无法解析。在C++中，只有通过pointer和reference才能够完成。

      在需要多态时，对一个base class object，只有通过pointer或reference的间接处理，才支持OO程序设计所需的多态性质。

C++支持多态的方法：

（1）经由一组隐含的转换操作。

（2）经由virtual function机制。

（3）经由dynamic_cast和typeid运算符。

多态的主要用途：

      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的真正类型解析到底是哪一个函数实体被调用。

     （如何解析呢？通过object的vptr和vptr所指的virtual table。具体见后一篇）

指针的类型：

• “指向不同类型的各指针”间的差异，既不在其指针表示方法不同，也不再其内容（代表一个地址）不同，而在其所寻址出来的object类型不同。（“指针类型”会教编译器如何解释某个特定地址中的内存内容及其大小）
• void*类型的指针只能够含有一个地址，而不能通过它操作所指的object。（无类型，不知道其涵盖的地址空间）
• Pointer或reference之所以支持多态，是因为它们并不引发内存中任何“与类型有关的内存委托操作（type-dependent commitment）”；会受到改变的只是它们所指的内存的“大小和内容解释方式”。

参考资料及推荐资料：

深度探索C++对象模型

《深度探索C++对象模型》侯捷译——笔记（一），读后感，附带【插图】