object model-Function 语意学

0.member的各种调用方式

注意本节是介绍class member data的各种访问（调用）方式

a.nonstatic member functions（非静态成员函数）

好吧，个人觉得作者自己是非常懂的，但是他讲出来的时候，感觉真的好混乱。通常都是给一个例子，自己体悟，做总结的那些话，总是不放在最显眼的位置。让人抓不到重点。歪果仁都是这么随性吗，讲到哪儿是哪儿

辨析member function 和nonmember function

class People{private:int step;public:People():step(0){} void getUp(){step++;}void work(){step++;}void goSleep(){step++;}//member fuctionvoid PeopleAction(){getUp();work();goSleep();}};//同等功能的nonmember fuction void PeopleAction(const People *p){p->getUp();p->work();p->goSleep();} 

c++的设计准则之一就是：nonstatic member function 要与一般的nonmember function有相同的效率。

举个小栗子（nostatic member function 其实都是最后被编译器转化成nonmember function的）

nostatic member function

class Point3d{private:double _x;double _y;double _z;public:double magnitude()const{return sqrt(_x*_x+_y*_y+_z*_z);} Point3d normalize()const{double mag=magnitude();Point3d normal;normal._x=_x/mag;normal._y=_y/mag;normal._z=_z/mag;return normal;}};

转化步骤：

1. 改写函数的signature以安插一个额外参数（this指针）到member function中

//第一个const表示函数是const的，第二个const表示this指针是const的 double magnitude( const Point3d * const this)

2.将每一个对nonstatic data member的存取操作改为由this指针存取

{return sqrt(this->_x*this->_x+this->_y*this->_y+this->_z*this->_z);}

3.将member function重新写成一个外部函数，并将函数名称经过magling（所谓的Name Mangling是指在member的名称上加上class名称以及member function的signature）处理，使它成为在程序中独一无二的语汇

extern double magnitude_7Point3dFv(const Point3d *const this);

至此，如下调用均会被编译器转化为

obj. magnitude ();//变为 magnitude_7Point3dFv（&obj）;ptr-> magnitude();//变为 magnitude_7Point3dFv（ptr）;

同样的，normalize也会被编译器转化成这样：

//假设编译器存在NRV（named return value） void normalize_7Point3dFv(const Point3d *const this, Point3d &_result){double mag=this->magnitude();_result._x=this->_x/mag;_result._y=this->_y/mag;_result._z=this->_z/mag;return;}//然后又被写成externextern  void normalize_7Point3dFv(const Point3d *const this, Point3d &_result);

b.virtual member function（虚拟成员函数）

同样是从以下两个情况来分析

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

对于 ptr -> magnitude( ); 而言，其内部转换为( * ptr -> vptr[ 1 ] )( ptr );，（理由是：指针支持多态，该指针指向的到底是谁的函数还不明确，所以一定得查虚表）其中：

Vptr表示右边一起产生的指针，指向virtual table；1是virtual table slot的索引值，关联到normalize()；第二个ptr表示this指针。

对于obj.magnitude( ); 而言，由于只有指针和引用才能支持多态，一般的object并不支持多态，所以调用的magnitude()只能是Point3d 的函数。“经由一个class object 调用一个 virtual function”，这种操作总是会被编译器像对待一般nonstatic member function 一样的加以 resolved：

magnitude_7Point3dFv（&obj）;

c.static member function（静态成员函数）

如果Point3d::normalize()是一个static memberfunction，以下两个调用：

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

将被转换为一般的nonmember函数调用，像这样：

normalize_7Point3dSFv();//SFv表示static member function，拥有一个空白（void）的参数链表（argument list）normalize_7Point3dSFv();

独立于class object之外的存取class object的static data member操作主要有两种方法

1.未引入static member function概念之前，程序上的解决之道是将0强制转换为一个class指针，因而提供一个this指针实例

#include<iostream>using namespace std;class Point3d{private:static int const x=5;public:int object_count(){cout<<x<<endl;return x;}};int main(){((Point3d *)0)->object_count();//5return 0;}

2.再就是引入了static member function的概念，用static member function 去访问static member data。

static member function的主要特性就是它没有this指针，所以1.他不能直接存取nonstatic member data；2.它不需要经由class object才能被调动；3.他不能被声明为const、volatile或virtual（这一条中const和volatile不明白）。

再就是由于static member function由于不存在this指针，所以它的地址类型不是一个“ class member function pointer”而是一个“nonmember function pointer”。（this指针是指向隐含的object的，object中仅仅存储了nonstatic member data 和指向虚函数表的vptr。所以访问了nonstatic member data的nonstatic member function需要this指针，访问虚函数表的virtual member function也需要this指针）

1.virtual member functions（虚拟成员函数）

Virtual function的一般实现模型（无继承）：每一个class有一个virtual table，内含class之中有作用的virtual function的地址，然后每个object有一个vptr，指向virtual table的存在。这一节会讨论单一继承，多重继承和虚拟继承这三种情况。

这是我听到的最好的多态解释：在c++中，多态表示 “ 以一个public base class的指针（或引用），寻址找出一个derived class object” 的意思。父类型指针接受子类型对象

a.单继承下的virtual function

对于单继承的derived class而言，它只有一张virtual table

z() 是虚函数，对于ptr->z();而言，到底调用的是谁的z()？对于这个问题，需要清楚两点1.ptr实际上指的是父类型对象，还是子类型对象？2.在知道是哪个类型的对象的情况下，如何找到正确的函数地址。

对于第一个问题：在（具有虚函数的或者父类有虚函数的）class object（因为没有虚函数，也就玩不了多态，这样的class object无需打上标记）上添加一个member（或许是字符串或者一串数字），用以记录指针所指对象的真实类型。

对于第二个问题：在（具有虚函数的或者父类有虚函数的）class object上添加一个指向虚函数表的vptr指针，用以获取虚函数的地址。当然每个子class的虚函数表是需要继承父虚函数表（就是拷贝，可能还会改写或扩充）。

以下是单一继承的情况：

对于derived class而言

1.它可以继承base class 所声明的virtual function，具体地说，父类的virtual function的实体地址会被拷贝到子类的virtual table中去。

2.它可以拥有自己的virtual function，这表示它自己的virtual function实体地址必须拷贝到自己的virtual table中去。

3.它可以改写父类的virtual function，这表示，该改写后的virtual function的实体地址需要替换原来父类虚函数实体地址在自己的virtual table的位置。

现在如果有这样的式子：ptr->z();。一般而言，每次调用z()时，并不知道ptr所指对象的真正类型（这是指编译器并不知道，而不是程序员并不知道），但是可以知道经由ptr可以存取到该对象的virtual table，可以知道每一个z()函数地址被放在slot 4中。所以编译器可以将该调用转化为：（*ptr->vptr[ 4 ] ）( ptr );，在这一转换中，唯一在执行期才能知道的东西是：slot 4所指的到底是哪一个z()函数实例。

b.多重继承下的virtual function

对于多重继承下的derived class而言，它有n-1张virtual table（n为derived class上subobject的个数）

在多重继承中支持virtual function，其复杂度围绕在第二以及后继的base class上 2. “ 必须在执行期调整this指针 ”。

小栗子：

 #include<iostream> using namespace std;  class Base1 { protected: float data_base1;public:Base1(){}virtual ~Base1();virtual void speakClearly();virtual Base1 *clone()const; }; class Base2 { protected: float data_base2;public:Base2(){}virtual ~Base2();virtual void mumble();virtual Base2 *clone()const; }; class Derived:public Base1,public Base2 { protected: float data_derived;public:Derived(){}virtual ~Derived();virtual Derived *clone()const; };

对于第二个问题 “ 必须在执行期调整this指针 ”的引出和解决：

Base2 *pbase2=new Derived; 

新的derived 对象的地址必须要调整，指向Base2 subobject（因为new Derived的地址是指向最左端的Base1 subobject的，而Base1与Base2并无继承关系，且两者均存在clone()，但是又不相同）。以下是编译时期的调整

Derived *temp=new Derived;//创建新对象 Base2 *pbase2=temp?temp+sizeof(Base1):0;//Base1在Base2前，故Base2的subobject在Base1的subobject之后，此句将对象指针指向Base2的subobject

当要删除对象时，又必须将对象地址指回起始处，以求删除整个对象。

delete pbase2;

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。所以必须在执行期调整this指针。

为解决这个问题，一帮子人想了一种办法Thunk技术

所谓thunk是一小段assembly代码，用来(1) 以适当的offset值调整this指针（2）跳到virtual function去。例如，经由一个Base2执行调用Derived destructor，其相关的thunk可能看起来是这个样子：

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，因此多重继承不需要任何空间上的额外负担。Slots中的地址可以直接指向virtual function，也可以指向一个相关的thunk（如果需要调整this指针的话）。于是，对于那些不需要调整this指针的virtual function而言，也就不需承载效率上的额外负担。
然后就有了下图

未打星号的依旧执行，打了星号的执行thunk（用以调整this指针，并执行虚函数）。

在多重继承下一个derived class内含n-1个额外的virtual table。一如章一《关于对象》中的描述，derived class 与最左端基类共享一张virtual table作为主要表格，其他基类各有一张virtual table作为次要表格。

Base::mumble()打星号是因为this指针必须指向Base2 subobject才能正确调用Base2::mumble方法，而derived::~derived()和derived::clone()打星号是因为，拷贝derived class object和删除derived class object的操作对象必须是整个的derived class object，所以必须调整this指针回到起始处。

c.虚继承下的virtual functions

在虚基类中最好不要声明nonstatic member data。

2.指向member function的指针

取一个非静态成员函数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。它也需要被绑定于某个class object的地址上，才能够通过它调用该函数。所有的nonstatic member functions都需要对象的地址（以参数this指出）。

使用一个"member function"指针，如果并不用于virtual function, 多重继承，virtual base class等情况的话，并不会比使用一个"nonmember function指针”的成本更高。而virtual function 的出现，会使得"member function指针“更复杂化。

b.指向Virtual Member Functions的指针

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

pmf, 一个指向member function的指针，被设置为Point::z()(一个virtual function)的地址。ptr->z(), 被调用的是Point3d::z()。我们从pmf间接调用z()呢？(ptr->pmf)(); 调用的是Point3d.z()吗？答案是yes。问题时如何实现的呢？

我们知道，对一个非静态数据成员取其地址，将获得该函数在内存中的地址，然而面对一个虚拟函数，其地址在编译时候是未知的，所能知道的仅是virtual function在其相关的virtual table中的索引值。也就是说，对一个virtual member function取其地址，所能获得的只是一个索引值。例如：

class Point{      public:          virtual ~Point();          float x();          float y();          virtual float z();};

&Point::~Point = 1; 取&Point::x()的地址则是内存中的地址。通过pmf来调用z()，会被转化为一个编译时期的式子，一般形式如下所示：

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

3.Inline Functions

一般而言，处理一个inline函数，有两个阶段：

一：分析函数定义。如果函数因其复杂度，或因其建构问题，被判断不可成为inline，它会被转为一个static函数。

二：真正的inline函数扩展操作是在调用的那一个点上。这会带来参数的求值操作(evaluation)以及临时性对象的管理。
在inline函数的扩展进行处理时，大部分的编译器厂商似乎认为不值得在inline支持技术上做详细的讨论。我们只有进入到汇编代码中，才可以看到是否真正的实现了Inline。

一般而言，inline函数中的每一个局部变量都必须被放在函数调用的一个封闭区段内，拥有一个独一无二的名字。Inline函数中的局部变量（展开处同名），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。如果一个Inline函数被调用多次的话，会产生大量的扩张码，使程序的大小暴涨。所以，我们需要小心的处理。