深度探索C++对象模型笔记<一>



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

在C++对象模型中,nonstatic数据成员被配置在每一个class object之内,static数据成员则被存在所有的class object之外,所有的成员函数也被放在所有的class object之外。

Virtual functions则以两个步骤支持之:

1、每一个class 产生出一堆指向virtual funtions的指针,放在表格之中,这个表格称作virtual table(vtbl)。

2、每一个class object 被添加了一个指针,指向与该对象相关的vritual table。通常把这个指针叫做vptr。每一个vptr的设置都是由这个类的构造函数、析构函数和拷贝构造函数自动完成。每一个类所关联的type_info object表示class的类型。

c++在布局及存取时间上主要的额外负担是由virtual引起。包括:

   1.virtual function 机制  用以支持一个有效率的"执行期绑定"  
   2.virtual base class 用以实现"多次出现在集成体系中的base class,有一个单一而被共享的实体。
无论是含有虚函数还是虚拟继承,类都会产生一个虚函数表,同时每一个对象都会含有一个vptr指针指向虚拟函数表。


C++对象模型


                                         图 C++对象模型


图说明c++对象模型如何应用于前面所说的Point class身上。这个模型的主要优点在于它的空间和存取时间的效率;主要缺点则是,如果应用程序代码本身未曾改变,但所用到的class objects的nonstatic data members有所修改 (可能是增加、移除或更改),那么那些应用程序代码同样得重新编译。


静态数据成员:

它被编译器提出于class之外,并被视为一个global变量(但只在class生命范围之内可见)

每个静态数据成员只有一个实体,存放在程序的数据段之中,

经由’.’运算符,对一个静态数据成员进行存取操作,只是语法上的一种便宜行事而已。静态数据成员其实并不在class object之中,因此存取它并不需要通过class object

虽然你可以不靠class object来存取一个静态成员,但其存取函数却得绑定于一个class object之上。(若静态成员的访问控制为protectedprivate,则必须通过存取函数来访问)

注意:类的静态数据成员,必须要在全局下进行定义,然后才能使用。

无论它的访问控制是什么,必须在main函数之前,对静态数据成员定义。

例如:int Point::_point_count = 0 ;

否则,编译器会报错:未定义的引用。

因为编译器把涉及静态数据成员的使用,都转换为直接使用,而静态成员在class中声明,外部无法看见。故需要在外部进行定义,使其后的代码可见。

 

成员函数的处理:

C++的设计准则之一:非静态成员函数至少和一般的外部函数有相同的存储效率。

C++编译器会把成员函数内化为一般的函数:

①改写函数原型,安插一个额外的参数this指针。用以提供一个存取管道,使类对象得以调用该函数。

float Point:: x(Point* const this)

若该成员函数是const,则变成:

float Point:: x(const Point* const this)

②对函数体中 类对象的非静态数据成员的存取操作,改为经由this指针来存取。

float Point:: x(const Point* const this)

{            return  this->-x ;             }

③将成员函数重新写成一个外部函数,对函数名称进行处理,使它在程序中成为独一无二的。

 

以上的转换操作结束之后,每个调用操作都要转换。

静态成员函数:

静态成员函数的主要特征是它没有this指针。

故其:

①它不能够直接存取其class中的非静态成员

②它不能够直接被声明为const、virtual

③它不需要经由class object才被调用——虽然大部分时候它是这样被调用的。


加上继承

(1)单一继承且无虚函数的对象模型


内存布局


单一继承且有虚函数的对象模型

内存布局

一个class只要含有一个虚函数,那么每一个class object被安插上一个由编译器内部产生的指针vptr,指向该表格(virtual table)

virtual table的第一项是表示class的类型。

因为,基类指针的特殊性,它可以指向基类对象,也可以指向派生类对象。故:ptr->foo( ) ;这种调用,我们需要知道ptr所指对象的真实类型。

就算不知道ptr所指对象的类型,也可以正确调用fun函数,但是由于fun函数有编译器插入的this指针,this指针要与ptr指向的对象地址正确对应,以正确访问对象中的成员变量,但ptr中却没有这样的信息。

virtual table之后的表格是class中的每个虚函数地址。

 

一个class只会有一个virtual table。派生类的virtual table是在基类的virtual table上增加,修改的。

派生类中的虚函数会改写(overriding)与基类中同名且参数相同的虚函数,把virtual table表中相应的基类虚函数地址改写为相应派生类虚函数的地址。


以上工作都是由编译器完成的。执行期要做的就是在特定的virtual table表项中激活相应的虚函数,然后根据virtual table首项的类型信息,正确执行此虚函数。

 

例如:ptr->foo( ) ;

一般而言,我并不知道ptr所指对象的真正类型。然而我知道,经由ptr可以存取到该对象的virtual table

虽然我不知道哪一个foo( )实体会被调用,但我知道每一个foo( )函数的地址都放在虚表的第二项。

故:根据以上信息,编译器可以将该调用转化为:

( *ptr->vptr[1] )( ptr ) ; 

基类指针虽然可以指向派生类,但是它实际上指向的是派生类中的基类部分。(这就不违反指针的特性了,指针类型与其指向范围是一致的)故基类指针不能访问派生类的成员。(但基类指针可以通过访问派生类的虚函数,间接操作派生类成员)

 






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