深度探索C++对象模型-第三章

Data语意学

一 成员变量的绑定

如果在类内部和外部出现了同名成员变量，而类的内部在成员变量声明前有内联成员函数的话，会有以下误解：

extern float x;
class A{
public:
    int func(){ return X; }
private:
    int x;
};

这里的x不会出现绑定错误的原因，因为C++内部将内联函数放到整个类的后面进行处理，所以当内联函数被处理的时候，类内部的成员变量已经覆盖了外部extern进来的x。

但是如果是typedef的话，还是会出现问题：

typedef float length;
class A{
public:
    length func(){ return X; }
private:
    typedef int length;
    int x;
};

这里，函数的返回值是float，而不是我们想要的int，所以在类内部进行typedef的话，最好是放到类的最前面。

二 成员变量的内部布局

同一个访问部分（也就是public，protected，private区段），成员的排列按照声明顺序在类的内部由低地址到高地址排列（不是写在一起的同一个访问部分也是按照声明顺序排列）。不同访问部分的成员变量顺序没有准确定义。

三 成员变量的存取

1 静态成员

类内静态变量只有一份，放在程序数据段，存取类内静态变量通过类名而不是对象名。
对类内静态成员取地址，得到的是指向其数据类型的指针，而不是指向类成员的指针。

2 非静态成员

非静态成员在每一个类对象中，通过显式/隐式类对象进行存取。并且在类对象中对成员变量的存取是通过隐式的this指针完成的（每一个成员函数都包含一个隐藏的this指针）。

类对象中每一个非静态成员变量的偏移位置在编译期就可以被知道，即使是继承而来的成员变量也是，所以在类内部进行数据存取和存取C结构体内部数据是一样的。但是虚基类的成员存取操作必须延迟到执行期。

四 “继承”和数据成员

1 只有继承没有多态（虚函数）
基类的子对象（子类中基类的数据成员部分）内存上处于派生类数据成员之前，内存的排列和非派生（将基类的数据移入派生类，取消继承）是一致的，唯一不同的是对齐的差别。

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class T{ int a; char b; char c; };

这个类会产生对齐操作，sizeof(T)返回值是8。（补2个char）

class A{ int a; };
class B : public A{ char b; };
class C : public B{ char c; };

在继承中也会产生内存对齐，但是内存对齐将会发生多次，在A，B，C类中都会发生，sizeof(A)为4，sizeof(B)为8，sizeof(C)为12。

2 有多态

有多态情况比较复杂，C++标准没有规定虚函数表的指针必须放在类的头部还是尾部，所以不同编译器有不同的实现。但是毫无疑问的是，在多态的情况下，由于虚函数表指针的引入，指针的偏移将会需要特殊的计算，对于数据成员的存取将会造成额外的负担。

虚表指针放入类头部的话，很明显所有的数据成员都需要进行额外的偏移。虚表指针放入尾部的话，基类的虚表指针会导致派生类数据的偏移，仍然会产生数据的额外偏移。

多态的额外负担如下：

1. 类多出一个虚函数表，用以存放虚函数地址，再加上一两个slots（支持RTTI）。
2. 类中多出一个虚表指针，提供执行器链接，使每一个对象找到相应的虚表。
3. 加强ctor的功能，使其可以为虚表指针设定初值。指向类对应的虚表。在派生类和基类的ctor中，虚表指针的值可能都是要重新赋值的。
4. 加强dtor的功能，使其可以正确删除虚表指针。

3 多重继承

多重继承下，第一个继承的类的子对象（派生类中基类的数据部分）在类的最前方（这里以虚表指针在类尾部为例），指针无需额外偏移，但是第二个继承的类，将需要额外偏移sizeof(A)的大小：

class A{
    int a;
    char aa;
    virtual int funcA(){ return a; } 
};
class B{
    int b;
    char bb;
    virtual int funcB(){ return b; } 
};
class C{
    int c;
    char cc;
    int funcA(){ return c; };
    int funcB(){ return cc; };
};

具体的内部实现是看编译器的，这只是理论上的一种排列方法。

4 虚拟继承

虚拟继承要解决两个问题：

1. 对象腰围其虚基类产生一个额外的指针，但是我们希望类对象的大小是固定的，不希望类对象会因为虚基类的增多而变化大小。
2. 虚继承串链的增长会导致间接存取层次的增加，我们不希望这种情况发生。

解决1的方法可以是产生虚基类表格，类对象只维护虚基类表格的指针；解决2的方法是将虚基类的偏移整合到虚函数表中去，正常调用虚函数采用正向偏移虚函数表指针的方式，而寻找虚基类则采用负偏移虚函数表指针的方式。

五 对象成员的效率

数据的存取效率不会因为继承而降低（优化后（-O）），但是会因为虚拟继承而降低，并且会因为虚拟继承层数的增加而降低的更明显。

六 指向成员数据的指针

对一个类的非静态成员取地址，得到的是这个成员在类中的偏移，但是通过对象取地址会得到成员的真正地址，对一个类的静态成员取地址，得到的也是真正的地址，因为静态成员不存储在类中，存储在成组的数据段中。

例子如下：

#include <iostream>
#include <cstdio>
using namespace std;
class A
{
public:
    static int as;
    int a;
    char aa;
    float aaa;
    void func(){ cout << "A" << endl; }
};
int A::as = 1;
int main()
{
    A a;
    printf("%p\n", &A::a);  //输出结果：00000000（十六进制）
    printf("%p\n", &A::as); //输出结果：00C01024（十六进制）
    printf("%p\n", &a.a);   //输出结果：0030FB88（十六进制）

    return 0;
}

很明显第一个输出了偏移，后两个输出了地址。