【深度探索C++物件模型】第一章 關於對象

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第一章 關於對象(Object Lessons)—— 本書Stanley B.Lippman  一、前言    什麼是 C++ 物件模型：簡單的說。就是 C++ 中物件導向的底層實現機制。

    本書組織：    第 1 章，關於對象（Object Lessons），介紹 C++ 對象的基礎概念，給讀者一個粗略的瞭解。    第 2 章，建構函式語意學（The Semantics of Constructors），建構函式什麼時候會被編譯器合成？它給我們的程式效率帶來了如何的影響？    第 3 章。Data語意學（The Semantics of Data），討論 data members 的處理。    第 4 章，Function語意學（The Semantics of Function），討論類的各種成員函數，特別是 Virtual 。

    第 5 章，構造、析構、拷貝語意學（Semantics of Construction, Destruction, and Copy），探討怎樣支援 class 物件模型，以及 object 的生命週期。

    第 6 章，運行期語意學（Runtime Semantics），暫時對象的生與死，new 與 delete 的支援。

    第 7 章，在物件模型的頂端（On the Cusp of the Object Model），專註於 exception handling, template support, runtime type identification（RTTI）。    讀完此書，或者此系列blogs，會讓你對 C++ 的 class 有更深的瞭解。你將知道虛函數的實現方式，以及它所帶來的負擔。等等等等，這裡有你想知道關於 class 的一切。

        在 C 語言中，“資料”和“處理資料的操作（函數）”是分開來聲明的。也就是說，語言本身並沒有支援“資料和函數”之間的關聯性。

我們把這樣的程式方法稱為“程式性的”。比如。我們聲明一個 struct Point3d:

typedef struct _Point3d{    float x;    float y;    float z;} Point3d;

    欲列印一個 Point3D，我們可能須要這樣一個函數：

void Point3d_print( const Point3d* pd ){    printf("(%g, %g, %g)", pd->x, pd->y, pd->z);}//%g和%G是實數的輸出格式符號。它是自己主動選擇%f和%e兩種格式中較短的格式輸出。而且不輸出數字後面沒有意義的零。

    在 C++ 中，你可能會這樣來設計一個雙層或者三層的Point3D：

class Point {public:    Point( float x = 0.0 ) : _x(x) {}     float x() { return _x; }    void x( float val ) { _x = val; }    // ...protected:    float _x;}; class Point2d : public Point{public:    Point2d( float x = 0.0, float y = 0.0 ) : Point( x ), _y( y ) {}    // ...protected:    float _y;} class Point3d : public Point2d{public:    Point3d( float x = 0.0, float y = 0.0, float z = 0.0 ) : Point2d( x, y ), _z( z ) {}    // ...protected:    float _z;}

    從軟體project的眼光來看，物件導向的特徵。使得 C++ 比 C 看起來似乎更好。C 相對而言，更精瘦和簡易。C++ 看起來似乎更複雜，但並不意味著 C++ 不更有威力。    當一個 Point3d 轉換到 C++ 之後，第一個可能會問的問題是： 加上了封裝之後，布局成本添加了多少呢？答案是： class Point3d 並沒有添加成本。

三個 data members 直接內涵在每個 class Object 之中。而 成員函數（member functions）儘管在 class 的聲明之內，但卻不會出如今 class 的對象實體（Object）中。每個非 inline member function 僅僅會誕生一個函數實體。而 inline function。會在其每個使用者身上產生一個函數實體。

後面你將看到，C++ 在布局和存取時間上基本的負擔 是由 virtual 引起的。包含 虛函數 以及 虛基類。 二、C++ 的物件模型    首先，C++ 中。

2種成員變數(class data members)：靜態(static) 和 非靜態(non-static)；    3種成員函數(class member functions)：靜態、非靜態 和 虛擬(virtual)。

    我們來看這麼一個類：

class Point {public:    Point( float valx );    virtual ~Point();        float x() const;    static int PointCount(); protected:    virtual ostream& print( ostream &os ) const;     float _x;    static int _point_count;};

    那這個 class Point 在機器中將會被怎麼表示呢？這有沒有引起你的求知慾？    【注】原書這裡介紹了  簡單物件模型 和  表格驅動的物件模型 。這裡跳過這兩個，直接看 C++ 物件模型。    在 C++ 物件模型中。     非靜態(non-static)成員變數 被配置於每個 class object 之內；     靜態(static)成員變數 則被存放在全部 class object 之外。也就是全域資料區。（問：假設是這樣。我們的 class 怎麼樣去全域資料區找到屬於它的 static 成員變數？別急，後面會有答案）。     靜態和非靜態成員函數，也被配置於 每個 class 的實體之外。     虛函數的配置方法是：         1. 每個 class 產生出一堆指向 virtual functions 的指標，並把這些指標放在表格之中。這個表。既是所謂的 虛函數表(virtual table), 或  vtbl；        2. 每個 class 的實體(object) 被加入了一個指標。指向 相關的(注意不一定是同一個) virtual table。

通常這個指標被稱為 vptr。

vptr 的設定和重設都有每個 class 的 建構函式、解構函式、拷貝以及複製運算子。每個 class 所關聯的 type_info object( 用以支援 runtime type identification, RTTI )也經由 virtual table 被指出來，一般是放在表格的第一個 slot 處。

 三、C++ 怎樣支援多態    1. 經由一組隱含的轉化操作。比如。把一個 衍生類別 的指標轉化為一個指向其 public base type 的指標：        shape* ps = new circle();    2. 經由 virtual functions 機制：        ps->rotate();    3. 經由 dynamic_cast 和 typeid 運算子：        if ( circle *pc = dynamic_cast< circle* >(ps) )...    多態的主要用途。是經由一個共同的介面。來影響類型的封裝，我們一般會把這個介面定義在一個抽象基類裡面。然後再在衍生類別裡重寫這個介面。

四、須要多少記憶體來表現一個 class object？    猜想以下的代碼的 sizeof 結果會是？    .eg.1.

class Base{public:    Base();    ~Base();};// sizeof(Base) = ？

    .eg.2.

class Base{public:    Base();    ~Base(); protected:    double m_Double;    int m_Int;    char m_BaseName;};// sizeof(Base) = ?

    到底須要多少記憶體，才幹表現一個 class 的 object 呢？一般而言有：     1. 其 非靜態成員變數( non-static data members ) 的總和大小。     2. 加上不論什麼因為 記憶體對齊 的需求而填補上去的控制項。     3. 加上為了支援 virtual 而由內部產生的不論什麼額外的負擔。
    此外，須要注意的是。一個指標（或是一個 reference）。無論它僅僅想哪一種資料類型。指標本身所需記憶體大小是固定的。比方。在 win32下，一個指標的大小就是4個位元組（byte）。    問題的答案：

第一題： 答案是1。class Base 裡僅僅有建構函式和解構函式，由前面的內容所知，class 的 member functions 並不存放在 class 以及事實上例內，因此，sizeof(Base) = 1。是的，結構不是0，而是1，原因是由於，class 的不同執行個體，在記憶體中的地址各不同樣，一個位元組僅僅是作為預留位置，用來給不同的執行個體分配不同的記憶體位址的。第二題：答案是16。double 類型的變數佔用8個位元組。int 佔了4個位元組，char 僅僅佔一個位元組。但這裡它會按 int 進行對齊，Base 內部會填補3個位元組的記憶體大小。 最後的大小就是 8 + 4 + 1 + 3 = 16。 大家能夠調整三個成員變數的位置，看看結果會有什麼不同。

  五、指標的類型

Base* p_Base;int*    p_Int;vector<string> * p_vs;

    請問，一個指向 Base class 的指標和一個指向 int 的指標是怎樣產生不同的呢？    1. 以記憶體需求的觀點來說，沒有不同。在32位機器上，它們都須要4個位元組的記憶體空間。    2. “指向不同記憶體的各指標”間的差異。在於其所定址出來的 object 的類型不同。

    也就是說，“指標類型”會教導編譯器怎樣解釋某個特定地址中的記憶體內容及其涵蓋大小。

比方：一個指向 int 的指標，如果其地址是 1000。在32位及其上。將涵蓋地址空間 1000~1003.    那麼。一個指向地址 1000 的 void* 的指標，將涵蓋如何的地址空間呢？沒錯，我們並不知道。這就是為什麼一個類型為 void* 的指標。僅僅可以含有一個地址，而不可以通過它操作所指的 object 的緣故。    所以。轉型(cast)事實上是一種編譯器指令，它所做的，並非改變指標所含的真正地址，而是教導編譯器該去怎樣解釋指標所涵蓋的地址空間。 六、小結    第一章——關於對象。本章初步介紹了C++的物件模型是如何的，後面的章節將繼續討論這個物件模型的底層實現機制。    在讀完本篇文章之後。你應該理解：

• 怎樣計算 sizeof(classA) 的大小；
• 瞭解 class 的記憶體布局。    

    在下一章——建構函式語意學中。我們將瞭解關於類的建構函式的很多其它知識。

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