深入理解C++的物件模型_C 語言

何為C++物件模型？

C++物件模型可以概括為以下2部分：

     1. 語言中直接支援物件導向程式設計的部分

     2. 對於各種支援的底層實現機制

引言

現在有一個Point類，聲明如下：

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

這個類在機器上是通過什麼模型來表示的呢？下面就介紹三種不同的實現方式。

1. 簡單物件模型

簡單物件模型名副其實，十分簡單。在簡單物件模型中，一個 object是由一系列slots組成，每個slot相當於一個指標，指向一個member，memebers按照聲明的順序與slots一一對應，這裡的members包括data members和function members。

如果將簡單物件模型應用在Point Class上，結構圖如下：

優點：十分簡單，降低了編譯器設計的複雜度。

缺點：空間和時間上的效率降低。由於所有member都對應一個slot指標，所以每個object在空間上額外多出：member's number 乘以指標大小的空間。同時由於訪問object的每個member都需要一次slot的額外索引，所以在時間的效率也會降低。

2. 表格驅動物件模型

表格驅動物件模型將member data和member function分別映射成兩個表格member data table和function member table，而object本身只儲存指向這兩個表格的指標。 其中function member table是由一系列的slot組成，每個slot指向一個member function; member data table則直接儲存的member data本身。如果將表格驅動物件模型應用在Point Class上，結構圖如下：

優點：採用兩層索引機制，對object變化提供比較好的彈性，在object的nonstatic data member有所改變時，而應用程式代碼沒有改變，這時是不需要重新編譯的。

缺點：空間和時間上的效率降低，具體原因可以參考簡單物件模型的缺點分析。

3. C++ 物件模型

Stroustrup 早期設計的C++物件模型是從簡單物件模型改進而來的，並對記憶體空間和存取時間進行了最佳化。主要是將nonstatic data members儲存在每一個object中，而static data members以及所有的function members被隔離儲存區 (Isolated Storage)在所有object之外。

對虛函數的支援主要通過以下幾點完成的：

     所有包含虛函數或者繼承自有虛函數基類的class都會有一個virtual table，該虛函數表格儲存體著一堆指向該類所包含的虛函數的指標。

     每個class所關聯的type_info object也是由virtual table儲存的，一般會存在該表格的首個slot，type_info用於支援runtime type identification (RTTI)。

如果將C++物件模型應用在Point Class上，結構圖如下：

優點：空間和存取效率高，所有static data members以及所有的function members被隔離儲存區 (Isolated Storage)在所有object之外，可以減少每個object的大小，而nonstatic data members儲存在每一個object中，又提升了存取效率。

缺點：如果應用程式的代碼未曾更改，但所用到的class的nonstatic data members有所更改，那麼那些代碼仍然需要全部重新編譯，而前面的表格驅動模型在這方面提供了較大的彈性，因為他多提供了一層間接性，當然是付出了時間和空間上的代價。

在加上繼承情況下的物件模型

C++支援單繼承、多繼承、虛繼承，下面來看下base class實體在derived class中是如何被構建的。

簡單物件模型中可以通過derived class object中的一個slot來儲存base class subobject的地址，這樣就可以通過該slot來訪問base class的成員。這種實現方式的主要缺點是：因為間接性的儲存而導致空間和存取時間上存在額外負擔；優點是：derived class的結構不會因為base class的改變而改變。

表格驅動物件模型中可以利用一個類似base class table的表格來儲存所有基類的資訊。該表格中儲存一系列slot，每個slot儲存一個base class的地址。這種實現方式的缺點是：因為間接性的儲存而導致空間和存取時間上存在額外負擔；優點是：一是所有繼承的class都有一致的表現形式（包含一個base table指標，指向基類表）與基類的大小和數目沒有關係，二是base class table增加了子類的擴充性，當基類發生改變時，可以通過擴充、縮小或者更改base class table來進行調整。

以上兩種實現方式都存在一個重要的問題，就是由於間接性而導致的空間和時間上的額外負擔，並且該間接性的級數會隨著繼承的深度而增加。

C++ 最初採用的繼承模型並不採用任何間接性，所有基類的資料直接儲存在子類當中，這樣在儲存結構和訪問效率上是最高效的。當然也有缺點：當base class members有任何改變，用到此base class或者derived class的對象必須重新編譯。在C++ 2.0引入了virtual base class，需要一些間接性的方式來支援該特性，一般會匯入一個virtual base class table或者擴充已有的virtual table。

總結

以上就是深入研究C++的物件模型的全部內容，希望本文的內容對大家有所協助。