《深度探索C++物件模型》讀書筆記（4）

《深度探索C++物件模型》讀書筆記（4）。

　　***非靜態成員函數（Nonstatic Member Functions）***

　　 C++的設計準則之一就是：nonstatic member function至少必須和一般的nonmember function有相同的效率。也就是說，如果我們要在以下兩個函數之間作選擇：

　float magnitude3d(const Point3d *this) { ... }
float Point3d::magnitude3d() const { ... }

　　 那麼選擇member function不應該帶來什麼額外負擔。因為編譯器內部已將“member函數實體”轉化為對等的“nonmember函數實體”。下面是magnitude（）的一個nonmember定義：

　float Pointer3d::magnitude() const
{
return sqrt(_x*_x + _y*_y + _z*_z);
}
// 內部轉化為
float magnitude_7Point3dFv(const Point3d *this)　 //已對函數名稱進行“mangling”處理
{
return sqrt(this->_x*this->_x + this->_y*this->_y + this->_z*this->_z);
}

　　 現在，對該函數的每一個叫用作業也都必須轉換：

　obj.magnitude();
// 轉換為
magnitude_7Point3dFv(&obj);

　　 對於class中的memeber，只需在member的名稱中加上class名稱，即可形成獨一無二的命名。但由於member function可以被重載化，所以需要更廣泛的mangling手法，以提供絕對獨一無二的名稱。其中一種做法就是將它們的參數鏈表中各參數的類型也編碼進去。

　class Point {
public:
void x(float newX);
float x();
...
};
// 內部轉化為
class Point {
void x_5PointFf(float newX);　 // F表示function，f表示其第一個參數類型是float
float x_5PointFv();　 // v表示其沒有參數
};

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　　 上述的mangling手法可在連結時期檢查出任何不正確的叫用作業，但由於編碼時未考慮傳回型別，故如果傳回型別聲明錯誤，就無法檢查出來。

　　 ***虛擬成員函數（Virtual Member Functions）***

　　 對於那些不支援多態的對象，經由一個class object調用一個virtual function，這種操作應該總是被編譯器像對待一般的nonstatic member function一樣地加以決議：

　// Point3d obj
obj.normalize();
// 不會轉化為
(*obj.vptr[1])(&obj);
// 而會被轉化未
normalize_7Point3dFv(&obj);

　　 ***靜態成員函數（Static Member Functions）***

　　 在引入static member functions之前，C++要求所有的member functions都必須經由該class的object來調用。而實際上，如果沒有任何一個nonstatic data members被直接存取，事實上就沒有必要通過一個class object來調用一個member function.這樣一來便產生了一個矛盾：一方面，將static data member聲明為nonpublic是一種好的習慣，但這也要求其必須提供一個或多個member functions來存取該member；另一方面，雖然你可以不靠class object來存取一個static member，但其存取函數卻得綁定於class object之上。

　　 static member functions正是在這種情形下應運而生的。

　　 編譯器的開發人員針對static member functions，分別從編譯層面和語言層面對其進行了支援：

　　 （1）編譯層面：當class設計者希望支援“沒有class object存在”的情況時，可把0強制轉型為一個class指標，因而提供出一個this指標實體：

　// 函數調用的內部轉換
object_count((Point3d*)0);

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　　 （2）語言層面：static member function的最大特點是沒有this指標，如果取一個static member function的地址，獲得的將是其在記憶體中的位置，其地址類型並不是一個“指向class member function的指標”，而是一個“nonmember函數指標”：

　unsigned int Point3d::object_count() { return _object_count; }
&Point3d::object_count();
// 會得到一個地址，其類型不是
unsigned int (Point3d::*)();
// 而是
unsigned int (*)();

　　 static member function經常被用作回調（callback）函數。

　　 ***虛擬成員函數（Virtual Member Functions）***

　　 對於像ptr->z（）的叫用作業將需要ptr在執行期的某些相關資訊，為了使得其能在執行期順利高效地找到並調用z（）的適當實體，我們考慮往對象中添加一些額外資訊。

　　 （1）一個字串或數字，表示class的類型；

　　 （2）一個指標，指向某表格，表格中帶有程式的virtual functions的執行期地址；

　　 在C++中，virtual functions可在編譯時間期獲知，由於程式執行時，表格的大小和內容都不會改變，所以該表格的建構和存取皆可由編譯器完全掌握，不需要執行期的任何介入。

　　 （3）為了找到表格，每一個class object被安插上一個由編譯器內部產生的指標，指向該表格；

　　 （4）為了找到函數地址，每一個virtual function被指派一個表格索引值。

　　 一個class只會有一個virtual table，其中內含其對應的class object中所有active virtual functions函數實體的地址，具體包括：

　　 （a）這個class所定義的函數實體

　　 它會改寫一個可能存在的base class virtual function函數實體。若base class中不存在相應的函數，則會在derived class的virtual table增加相應的slot.

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　　 （b）繼承自base class的函數實體

　　 這是在derived class決定不改寫virtual function時才會出現的情況。具體來說，base class中的函數實體的地址會被拷貝到derived class的virtual table相對應的slot之中。

　　 （c）pure_virtual_called函數實體

　　 對於這樣的式子：

　ptr->z();

　　 運用了上述手法後，雖然我不知道哪一個z（）函數實體會被調用，但卻知道每一個z（）函數都被放在slot 4（這裡假設base class中z（）是第四個聲明的virtual function）。

　// 內部轉化為
(*ptr->vptr[4])(ptr);

　　 ***多重繼承下的Virtual Functions***

　　 在多重繼承中支援virtual functions，其複雜度圍繞在第二個及後繼的base classes身上，以及“必須在執行期調整this指標”這一點。

　　 多重繼承到來的問題：

　　 （1）經由指向“第二或後繼之base class”的指標（或reference）來調用derived class virtual function，該叫用作業連帶的“必要的this指標調整”操作，必須在執行期完成；

　　 以下面的繼承體係為例：

　class Base1 {
public:
Base1();
virtual ~Base1();
virtual void speakClearly();
virtual Base1 *clone() const;
protected:
float data_Base1;
};

class Base2 {
public:
Base2();
virtual ~Base2();
virtual void mumble();
virtual Base2 *clone() const;
protected:
float data_Base2;
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
Derived();
virtual ~Derived();
virtual Derived *clone() const;
protected:
float data_Derived;
};

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　　 對於下面一行：

　Base2 *pbase2 = new Derived;

　　 會被內部轉化為：

　// 轉移以支援第二個base class
Derived *temp = new Derived;
Base2 *pbase2 = temp ? temp + sizeof(Base1) : 0;

　　 如果沒有這樣的調整，指標的任何“非多態運用”都將失敗：

　pbase2->data_Base2;

　　 當程式員要刪除pbase2所指的對象時：

　// 必須調用正確的virtual destructor函數實體
// pbase2需要調整，以指出完整對象的起始點
delete pbase2;

　　 指標必須被再一次調整，以求再一次指向Derived對象的起始處。然而上述的offset加法卻不能夠在編譯時間期直接設定，因為pbase2所指的真正對象只有在執行期才能確定。

　　 自此，我們明白了在多重繼承下所面臨的獨特問題：經由指向“第二或後繼之base class”的指標（或reference）來調用derived class virtual function，該叫用作業所連帶的“必要的this指標調整”操作，必須在執行期完成。有兩種方法來解決這個問題：

　　 （a）將virtual table加大，每一個virtual table slot不再只是一個指標，而是一個彙總體，內含可能的offset以及地址。這樣一來，virtual function的叫用作業發生改變：

　(*pbase2->vptr[1])(pbase2);
// 改變為
(*pbase2->vptr[1].faddr)(pbase2 + pbase2->vptr[1].offset);

　　 這個做法的缺點是，它相當於連帶處罰了所有的virtual function叫用作業，不管它們是否需要offset的調整。

　　 （b）利用所謂的thunk（一小段assembly碼），其做了以下兩方面工作：

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　　 （1）以適當的offset值調整this指標；

　　 （2）跳到virtual function去。

　pbase2_dtor_thunk:
this += sizeof(base1);
Derived::~Derived(this);

　　 Thunk技術允許virtual table slot繼續內含一個簡單的指標，slot中的地址可以直接指向virtual function，也可以指向一個相關的thunk.於是，對於那些不需要調整this指標的virtual function而言，也就不需要承載效率上的額外負擔。

　　 （2）由於兩種不同的可能：

　　 （a）經由derived class（或第一個base class）調用；

　　 （b）經由第二個（或其後繼）base class調用，同一函數在virtual table中可能需要多筆對應的slot；

　Base1 *pbase1 = new Derived;
Base2 *pbase2 = new Derived;

delete pbase1;
delete pbase2;

　　 雖然兩個delete操作導致相同的Derived destructor，但它們需要兩個不同的virtual table slots：

　　 （a）pbase1不需要調整this指標，其virtual table slot需放置真正的destructor地址

　　 （b）pbase2需要調整this指標，其virtual table slot需要相關的thunk地址

　　 具體的解決方案是：

　　 在多重繼承下，一個derived class內含n-1個額外的virtual tables，n表示其上一層base classes的數目。按此手法，Derived將內含以下兩個tables：vtbl_Derived和vtbl_Base2_Derived.

　　 （3）允許一個virtual function的傳回值類型有所變化，可能是base type，可能是publicly derived type，這一點可以通過Derived：：clone（）函數實體來說明。

　Base2 *pb1 = new Derived;

// 調用Derived::clone()
// 傳回值必須被調整，以指向Base2 subobject
Base2 *pb2 = pb1->clone();

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　　 當運行pb1->clone（）時，pb1會被調整指向Derived對象的起始地址，於是clone（）的Derived版會被調用：它會傳回一個指標，指向一個新的Derived對象；該對象的地址在被指定給pb2之前，必須先經過調整，以指向Base2 subobject.當函數被認為“足夠小”的時候，Sun編譯器會提供一個所謂的“split functions”技術：以相同演算法產生出兩個函數，其中第二個在返回之前，為指標加上必要的offset，於是無論通過Base1指標或Derived指標調用函數，都不需要調整傳回值；而通過Base2指標所調用的，是另一個函數。

　　***虛擬繼承下的Virtual Functions***

　　 其內部機制實在太過詭異迷離，故在此略過。唯一的建議是：不要在一個virtual base class中聲明nonstatic data members.

　　 ***函數的效能***

　　 由於nonmember、static member和nonstatic member函數都被轉化為完全相同的形式，故三者的效率安全相同。virtual member的效率明顯低於前三者，其原因有兩個方面：（a）建構函式中對vptr的設定操作；（b）位移差值模型。

　　 ***指向Member Function的指標***

　　 取一個nonstatic member function的地址，如果該函數是nonvirtual，則得到的結果是它在記憶體中真正的地址。

　　 我們可以這樣定義並初始化該指標：

　double (Point::*coord)() = &Point::x;

　　 想調用它，可以這麼做：

　(origin.*coord)();
　(ptr->*coord)();

　　 “指向Virtual Member Functions”之指標將會帶來新的問題，請注意下面的程式片段：

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

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　　 其中，pmf是一個指向member function的指標，被設值為Point：：z（）（一個virtual function）的地址，ptr則被指向一個Point3d對象。

　　 如果我們直接經由ptr調用z（）：

ptr->z();　 // 調用的是Point3d::z()

　　 但如果我們經由pmf間接調用z（）：

　(ptr->*pmf)();　 // 仍然調用的是Point3d::z()

　　 也就是說，虛擬機器制仍然能夠在使用“指向member function之指標”的情況下運行，但問題是如何?呢？

　　 對一個nonstatic member function取其地址，將獲得該函數在記憶體中的地址；而對一個virtual member function取其地址，所能獲得的只是virtual function在其相關之virtual table中的索引值。因此通過pmf來調用z（），會被內部轉化為以下形式：

　(*ptr->vptr[(int)pmf])(ptr);

　　 但是我們如何來判斷傳給pmf的函數指標指向的是記憶體位址還是virtual table中的索引值呢？例如以下兩個函數都可指定給pmf：

　// 二者都可以指定給pmf
float Point::x() { return _x; }　 // nonvirtual函數，代表記憶體位址
float Point::z() { return 0; }　 // virtual函數，代表virtual table中的索引值

　　 cfront 2.0是通過判斷該值的大小進行判斷的（這種實現技巧必須假設繼承體系中最多隻有128個virtual functions）。

　　 為了讓指向member functions的指標也能夠支援多重繼承和虛擬繼承，Stroustrup設計了下面一個結構體：

　// 用以支援在多重繼承之下指向member functions的指標
struct _mptr {
int delta;
int index;
union {
ptrtofunc faddr;
int v_offset;
};
};

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　　 其中，index表示virtual table索引，faddr表示nonvirtual member function地址（當index不指向virtual table時，被設為-1）。

　　 在該模型之下，以下叫用作業會被轉化為：

　(ptr->*pmf)();
// 內部轉化為
(pmf.index < 0)
? (*pmf.faddr)(ptr)　 // nonvirtual invocation
: (*ptr->vptr[pmf.index](ptr)　 // virtual invocation

　　 對於如下的函數調用：

　(pA.*pmf)(pB);　 // pA、pB均是Point3d對象

　　 會被轉化成：

　pmf.iindex < 0
? (*pmf.faddr)(&pA + pmf.delta, pB)
: (*pA._vptr_Point3d[pmf.index].faddr)(&pA + pA._vptr_Point3d[pmf.index] + delta, pB);

　　***Inline Functions***

　　 在inline擴充期間，每一個形式參數都會被對應的實際參數取代。但是需要注意的是，這種取代並不是簡單的一一取代（因為這將導致對於實際參數的多次求值操作），而通常都需要引入臨時性對象。換句話說，如果實際參數是一個常量運算式，我們可以在替換之前先完成其求值操作；後繼的inline替換，就可以把常量直接綁上去。

　　 舉個例子，假設我們有以下簡單的inline函數：

　inline int min(int i, int j)
{
return i < j ? i : j;
}

　　 對於以下三個inline函數調用：

　minval = min(val1,val2);
minval = min(1024,2048);
minval = min(foo(),bar()+1);

　　 會分別被擴充為：

　minval = val1 < val2 ? val1 : val2;　 // 參數直接代換
minval = 1024;　 // 代換之後，直接使用常量
int t1;
int t2;
minval = (t1 = foo()), (t2 = bar()+1),t1 < t2 ? t1 : t2;　 //有副作用，所以匯入臨時對象

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　　 inline函數中的局部變數，也會導致大量臨時性對象的產生。

　inline int min(int i, int j)
{
int minval = i < j ? i : j;
return minval;
}

　　 則以下運算式：

　minval = min(val1, val2);

　　 將被轉化為：

　int _min_lv_minval;
minval = (_min_lv_minval = val1 < val2 ? val1 : val2),_min_lv_minval;

　　 總而言之，inline函數中的局部變數，再加上有副作用的參數，可能會導致大量臨時性對象的產生。特別是如果它以單一運算式被擴充多次的話。新的Derived對象的地址必須調整，以指向其Base2 subobject.

　　系列文章：

　　《深度探索C++物件模型》讀書筆記（1）

　　《深度探索C++物件模型》讀書筆記（2）

　　《深度探索C++物件模型》讀書筆記（3）

　　《深度探索C++物件模型》讀書筆記（5）

　　《深度探索C++物件模型》讀書筆記（6）

　　《深度探索C++物件模型》讀書筆記（7）

　　《深度探索C++物件模型》讀書筆記 最後一記