C++成员函数

“The Semantics of Function”，本篇的架构很简单，说的是member functions在nonstatic，static和virtual三种状态下的调用方式。

首先来一个开胃菜：假设类Point3d有data members x, y, z，有member function如下，

floatPoint3d::magnitude() const{    return sqrt(x*x + y*y + z*z);}

问你能从这个函数看出什么？

当然，我们无法确定它是virtual还是nonvirtual，但可以确定它一定不是static，因为，

• static function无法直接存取nonstatic数据；
• static function不能声明为const。

（1）Nonstatic member function的调用方式

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，如果有如下两个函数，

float magnitude3d ( const Point3d *_this ) { ... };float Point3d :: magnitude3d const () { ... };

选择member function不会带来任何额外负担。为什么呢？

因为编译器内部已经将“member function实例”转换成了“nonmember function实例”，member function转换过程如下：

• 1 改写函数signature（也就是改写函数原型）；

安插一个额外参数（隐式的this指针）到member function中，它的作用是使class object可以通过它来存取数据。比如对non-const成员与const 成员的扩张如下，

// non-const nonstatic member function augmentationPoint3dPoint3d::magnitude( Point3d *const this )//const nonstatic member augmentationPoint3dPoint3d::magnitude( const Point3d *const this )

ps:

还记得const放在函数声明后面是什么意思吗？

it means that function is not allowed to change any class members(except ones that are marked "mutable").

const放在前面呢？

const before an argument in a functiondefinition means the same as const for a variable, the value is not allowed to change.

具体的请看：［http://stackoverflow.com/questions/3141087/what-is-meant-with-const-at-end-of-function-declaration］

既然说了那么多题外话，那也就提一下突破const限制的mutable C++ 关键字吧！

mutable与const相反，是“可变的”，它永远处于一个可变状态，即使身在一个const function中。

• 2 对nonstatic data member的存取改为经由this指针来操作

{return sqrt( this->x * this->x + this->y * this->y + this->z * this->z );}

• 3 通过“name mangling”，将member function重写成一个外部函数

name mangling的作用，是将member的函数名和参数编码到一起，形成一个独一无二的命名。

于是，函数名称变成了

extern magnitude__7Point3dFv ( register Point3d *const this );

那么，

obj.magnitude();ptr->magnitude();

经过改写之后，变成了

magnitude__7Point3dFv( &obj );magnitude__7Point3dFv( ptr );

可见，没有增加任何额外负担。

（2）static member function的调用方式

有人会问，为什么会需要一个static的成员函数，我们来分析一下原因：

我们从上面得知，所有对nonstatic data member的存取都需要借助object来进行，this指针把“member function中要存取的nonstatic data member”和“object内对应的members”绑定在一起。然而，如果存取static data member，因为它在class之外，所以就不需要this指针，也不需要绑定类内数据成员。但我们需要对各种类型的data members的存取方式做出统一，这样一来，就需要一个member function，使它可以绑定在class object上（但的确不需要this指针）。

由于static member function没有this指针的特点，随之而来，它衍生出了几条其它特征：

• 不能存取class中的nonstatic members；
• 不能被声明为const, volatile或virtual；
• 不需要经过class object才被调用——虽然大部分时候需要通过object。

那我们就来看，编译器如何转换一个static member function：

unsigned intPoint3d::object_count (){return _object_count;}

会被转化成：

unsigned intobject_count_5Point3dSFv (){return _object_count_5Point3d;}

这里，SFv表示static member function, void argument list。与nonstatic member function的转化比起来，可以清晰的看到，this指针已经不再存在，不需要object便可以直接访问static data member。

所以，当我们写下如下代码时，

& Point3d::object_count();

我们得到的是nonmember function的函数指针，类型是，

unsigned int (*) ();

而不是得到一个指向class member function的指针，它的指针是 unsigned int ( Point3d::* ) ();类型的。

所以，正因为static member function缺乏this指针，因此差不多等同于nonmember function；而这个意想不到好处是，可以成为一个callback函数，使得我们可以将C++和C-based C Window系统结合，也使得更成功的用在线程函数上。

（3）virtual member function的调用方式

在这一节，我们分单一继承、多重继承、虚拟继承三个方面来探究这个模型。

1 单一继承

Point3d obj;Point3d *ptr = &obj;ptr->z();

看这个代码，z是virtual function；对于ptr->z()的多态特性（也就是virtual function机制），我们知道它是执行期的特征，我们必须要解决的两个问题是：

• a. ptr是个什么对象？
• b. 从哪里获取z()？

要回答这两个问题，我们必须添加额外的执行期信息来确定，并且，如果一个class拥有virtual function，那么我们就需要这个额外信息，如果没有，那么在编译时期，我们就可以办妥一切事情，执行时也就不需要额外的附加信息了。

首先来看第一个问题，ptr是个什么对象？

很简单，它的信息我们在执行期才可以得到。

第二个问题，编译时期如何找到z()？

要回答这个问题，我们先来看一段代码：

class Point {public:virtual ~Point ();// slot 1virtual Point& mult( float ) = 0;// pure virtual function, slot 2// ...float x() const { return x; }virtual float y() const { return 0; }//slot 3virtual float z() const { return 0; }//slot 4protected:Point( float x = 0.0 );float _x;}

我们已经知道，virtual functions存放在virtual function中，由class object中的vptr指向。安插vptr和放置virtual functions，当然是编译时期要做的事；执行期，便是要激活virtual table slot中的virtual function。我们看下图：

我们会发现，在继承过程中，需函数对应slot的索引值不会改变，上述代码中4个slot的索引已经在程序中标出，所以，我们在编译时期可以清楚的知道，要调用的z()函数都放在slot 4中，因此编译器可将调用转化为：

（ ＊ptr->vptr[ 4 ] ）( ptr );

这样，在单一继承下，virtual function机制便可以很好的运行起来了。

2 多重继承

这个有点麻烦了，因为子类必须维护多个virtual table，看下图：

这种情况下，编译器将负担给了“第二个或后继的base class”，通过在执行期调整this指针，来调用子类中的虚函数。

对如上继承关系，编译器将支持virtual function的困难度放在了Base2 subonject身上，它需要解决3个问题：

• virtual destructor；

Base1 *pbase1 = new Derived();Base2 *pbase2 = new Derived();// ...delete pbase1;delete pbase2;

如上代码中，对于pbase1的delete，由于Base1是第一个base class，所以不需要调整this指针；而pbase2需要调整。这里面涉及了trunk技术用来以适当的offset调整this指针完成virtual function的跳跃，具体见书上p163；

• 被继承下来的Base2::mumble()
• clone()；（图中～clone应改为clone）

以上两种情况同样需要指针的调整，不细说了；

3 虚拟继承

我放个图在这里，用来大致描述一下virtual function调用的机制。由于译者对这里也有疑惑，所以想要深究的同学应该去查阅其他资料或论文。