《深度探索C++物件模型》侯捷譯——筆記（一），讀後感，附帶【插圖】

一）、讀後感

    在我參加工作兩年多的時候，工作不算很忙了，《深入理解C++物件模型》開始進入我的視野；或許是因為我要從Symbian.C++ 轉向iOS Objective-C，並開始思考語言本身的一些東西的緣故。

    其實在一年前，出於對C++的迷惑，我已經買了這本書。當時翻了幾頁竟然沒懂，就擱那兒了！可是現在，它讓我隨身攜帶、流連忘返、是個旅途好伴侶；看到它我精神抖擻，它給了我繼續做程式員的信心。

    這段時間經常會在晚上11點後，關閉電腦，然後捧著書本兒汲取知識。這種感覺覺很不錯！如果你在北京上班，那麼不要在地鐵上捧著手機看新聞、看微博和QQ，可以看點兒書。

    以上是我感慨，也許你覺得我說的太羅嗦、誇張。我只能再引用李宗盛《鬼迷心竅》中的歌詞：

        “有人問我你究竟是哪裡好， 這麼多年我還忘不了。“

         “春風再美也比不上你的好，沒見過你的人不會明了。”

    我看的是左邊“藍綠色”的老版的，右邊是2012版的。我看過新版的目錄，跟老的基本一樣。買新的吧

                           

    閱讀者要求。需要具備C++的基礎知識。這本說就像譯者評論的那樣，不是嬰幼兒奶粉，它是成人專用的低脂高鈣特殊奶粉。假如把C++比喻成一輛汽車，這本書不是教你怎麼開車，而是將汽車大卸八塊，逐個組件剖析。

    這本說的作者也有一些地方是相互矛盾的，很難理解，難道是C++太複雜了麼。

    專業術語介紹：

derived class	衍生類別
base class	基類
member function	成員函數

nonvirtual function

非虛函數

二）、回答幾個小問題

    這本書的作者就是C++第一個編譯器（cfront）的負責人，所以作者主要從編譯器的角度來剖析C++的物件模型。

    第一個、一般來說在學習C++的時候，如果沒有指明一個建構函式，那麼系統會預設建立建構函式。非也，編譯器會決定是否有必要產生一個建構函式和解構函式。也就預設建構函式可能不存在哦！特別是沒有繼承的情況下，編譯器認為建構函式和解構函式是無用的。（參考p231）

    第二個、假設兩個基類BaseA和BaseB都有virutal函數，BaseC繼承自BaseA和BaseB，那麼BaseC會有幾個虛函數表？答案是：根據編譯器不同而不同，有些是兩個虛函數表。有些是一個表，比如sun的編譯器。注意：這種情況屬於多重繼承，BaseC肯定會有兩個虛函數表指標。

    第三個、局部變數和全域變數重名了，在局部變數的生命週期的大括弧之內使用這個變數，那個起作用。當然是局部變數，但是C++並不是從一開始就是這麼設計的。

    一定要重複閱讀第三章：Data語意學、第四章：function語意學，和五章：構造、析構、拷貝語意學，這時平時開發中最常見的。

    侯捷翻譯的很不錯，很多地方比如“虛函數”，基類，衍生類別，直接用virtual function 、base class derived class代替，很符合程式員的習慣。

下面開始筆記本分三）、類屬性（Data語意學p83-p143）

---》一個空的類，大小不是0而是1，因為編譯器會產生一個隱晦的1bytes，用於區分，當該類多個對象時，各個對象都能在記憶體配置唯一地址。（p84）

---》成員變數的記憶體對齊，例如一個類只有char a一個屬性; 但是它的大小是4.雖然char的大小是1。（p85）

---》為了保持跟C的相容性，C++不要求基類屬性跟衍生類別屬性的排列順序，這個完全有編譯器決定。（p88）

---》局部變數和全域變數重名情況，在局部變數的生命週期的大括弧之內，使用該變數，哪個起作用？在1990年 隨著The Annotated C++ Reference Manual修訂，局部變數開始隱藏全域同名變數。而之前則是不隱藏。（p89）

---》屬性的記憶體順序和聲明順序是一致的。不同層級（public、protected和private）屬性的排列順序是相對一致的，就是說可能不連續，但是必須符合較晚出現的屬性存在較高的地址。（p92）

---》虛函數表指標Vptr，可能存在類的開始，也有可能存在類的末尾。通常都是類的末尾。（p92，p111，p112）

首先介紹vptr存在末端模式。示範單一繼承並含有虛函數情況下的資料布局（自然多態）。Point2d 和Point3d是繼承關係，注意：Vptr放在類的末尾。

初學者不要以為衍生類別的虛函數表指標Vptr（類結構中存的是虛函數表指標，並非虛函數表）存在衍生類別的那個部位，它依然是在父類的完整對象結構中。

只不過，在衍生類別構造的時候，會將vptr所指向的virtual table修改。

vptr在前端模式，這麼做喪失了與C的相容性。

    如果是前端存放，還存在一個問題：如果基類沒有虛函數，衍生類別有虛函數，那麼單一繼承的自然多態就會被打破。如果要將衍生類別轉換成基類，必須編譯器的介入。（p112）

    編譯器似乎開始發揮它的作用了。多重繼承下又是虛擬繼承，編譯器必須做出必要的位移和調整，才能保證正確的調用虛函數。

---》對一個類對象取地址，那麼並不是第一個屬性的地址，第一個屬性的地址還需要+1，這麼做是為了區分指向第一個屬性和指向所有屬性的指標兩種情況。（p98）

---》一般而言，基類屬性在衍生類別的開始部分，但是C++任何一條規則，只要碰上虛繼承就沒轍兒了。（p99）

---》C++語言保證“出現在衍生類別中的基類對象，有其完整性”，這麼做是為了在位拷貝的時候，能夠拷貝正確。（p106）

假如ClassA 和ClassB都有一個char的屬性，假設ClassB 繼承自ClassA，假設，C++為了節省記憶體，將自己的char類型和基類的char類型綁定一起，那麼經過下面運算式後可能出現問題：

ClassA* a = new ClassB;

ClassB b = *a;

描述的是“緊湊類型”，這樣會導致嚴重後果，衍生類別的屬性可能被“抹掉”，中的char b

不要以為ClassB中的char b和ClassA中的char 會放在一起，由於記憶體對齊的規則，ClassA大小是4B，ClassB大小是8B。這樣即使拷貝就不會出問題。

描述的是父類在子類中有完整的對象結構：

（同樣就像剛才我說的那樣：虛擬繼承將破壞這種父類結構的完整型）

---》單一繼承下，父類通常在衍生類別前端。所以不管繼承有多深，把一個derived class指定給class，該操作不需要編譯器的介入。多重繼承既不像單一繼承，也不容易類比出其模型，多重繼承的複雜度在於derived class和其上一個base class 乃至於上上一個base class......之間的“非自然”關係，（p112）

多重繼承的問題主要發生於derived class和其第二或後繼的base class 之間的轉換。

對於一個多重派生對象，將其地址指定給“最左端（也就是第一個）基類的指標”，情況和單一繼承時相同，因為兩者都指向相同的起始地址。需要付出的成本只是地址的指定操作而已，至於第二個或後繼的base class的地址指定操作，則需要進行地址修改：加上或者減去介於中間base class大小。

展示了多繼承的關係。涉及到4個類 Point2d、Point3d、Vertex和Vertex3d（p115）

下面展示了多重繼承的物件模型。

多繼承的情況下，drived clas可能會有兩個或兩個以上虛函數表指標。

請看下面的運算式：

Vertex3d v3d;

Vertex *pv;

Point2d *p2d;

Point3d *p3d;

那麼這個操作 pv = &v3d  需要轉換內部代碼pv = (Vertex*)(((char*)&v3d) + sizeof(Point3d));

下面這兩個操作，只需要拷貝地址就行了。

p2d = &v3d;

p3d = &v3d;

---》虛擬多繼承情況（p117）

可以表現Vertex3d 的繼承體系圖。左為多重繼承，右為虛擬多重繼承。

    不論是Vertex還是Point3d都內含一個Point2d。然而在Vertex3d的物件版面配置中，我們只需要單一一份Point2d就好。所以引入虛擬繼承。然而編譯器要實現虛擬繼承，實在是困難度頗高。虛擬繼承的原則就是：讓Vertex和Point3d各自維護的Point2d
摺疊成一個有Vertex3d維護的單一Point2d，並且還可以儲存base class 和derived class的指標之間的多台指定操作。

    如果一個class含有virtual base class 那麼，該對象將被分割為兩部分：一個不變局部和一個共用局部。不變局部中的資料，不管後繼如何演化，總是擁有固定的offset，所以這部分資料可以直接存取。至於共用局部（即virtual base class），這一部分的資料，其位置會因為每次的派生操作而有變化，所以他們只能被間接存取。各家編譯器實現技術之間的差異就是間接存取的方法不同，目前有三種主流策略。

第一個策略：如何存取class的共用局部呢？cfront編譯器會在每一個derived class中安插一個指向virtual base class的指標，這樣就可以間接存取。這樣的實現模型會有下面兩個主要缺點：

1.每一個對象必須針對其每一個virtual base class 背負一個額外的指標。

解決方案有：第一個，Microsoft編譯器引入所謂的virtual base class table。每一個class object如果有一個或多個virtual base class，就會由編譯器安插一個指標，指向virtual base class table。至於真正的virtual base class 指標，當然是被放在該表格中。

請看下面的虛擬繼承物件模型，。

紅框內即所謂的“共用局部”，其位置會因每次派生操作而有所變化。虛擬破壞了base class 的對象完整型，虛擬繼承會在自己類中產生一個虛函數表指標。

第二個、在virtual function table 中放置virtual base class的offset（不是地址）。

這個方法的好處是，巧妙的利用了虛函數表的結構，使得drived class 能夠節省一個指標的大小。中國藍色曲線是offset

2.由於虛擬繼承串鏈的加長，導致間接存取層次的增加。例如：如果我們有三層虛擬衍化，我就需要三次間接存取（經由三個virtual base class指標）。

這個問題的解決方案有：拷貝所有的virtual base class 的指標到drived class中。這樣就解決了存取時間的問題，雖然會有空間的開銷。

一般而言，virtual base class 最有效一種運行形式就是：一個抽象的virtual base class 沒有任何的data members。也許正是java和Objective-c不使用多重繼承，卻使用介面類（OC叫協議）的原因。

---》如果對類的屬性取地址（p130）

比如 &Point3d::z得到的值將是z在所有屬性中位移量。

列印該值的時候必須使用這個方法   ：printf("&Point3d::z =%p\n",&Point3d::z);

四）、類方法（function語意學p139-p186）

---》 C++的成員函數有三種：static 、nonstatic和virtual。每一種類型的調用方法都不同。（p140）

---》C++的設計原則之一就是nonstatic member function至少必須和一般的nonmember function有相同的效率。而實際上成員函數也是被轉化為nonmember function調用，下面是轉化步驟：（p142）

1.改寫函數的簽名（signature，函數名稱+參數數目+參數類型）安插一個this指標到函數參數中來。

例如：float Point3d::magnitude3d()const;

經過改寫後的方法為：float Point3d::magnitude3d(const Point3d* const this)const

***這也就是問什麼：const  可以用來區分重載函數的標示的，包括const參數或const函數，但是傳回值不算，因為傳回值不會作為函數的簽名。

2.對nonstatic data member 的存取操作改為經由this指標來完成。

3.將member function重新寫成一個外部函數。對函數進行mangling（重新命名）處理，是它在程式中成為獨一無二的語彙。

---》一般而言，member function（data member也是一樣）的名稱前面會被加上class名稱，形成獨一無二的命名。（p144）

---》目前C++編譯器對name mangling的做法還沒有統一，但是遲早會統一。（p145）

---》虛函數（p147）

如果函數normalize()是一個虛函數，那麼下面的調用 ptr->normalize()將被內部轉化為：

(*ptr->vptr[1])(this); vptr是有編譯器產生的指標，指向virtual table。下標為1說明是是第1個虛函數。

---》靜態成員函數將被轉化為一般的nonmember函數調用。它不能存取nonstatic members，不能聲明為：const、volatile或virtual。

由於靜態成員函數缺乏this指標，因此其差不多等同於nonmember function。它提供了一個意想不到的好處：成為callback函數。

---》虛擬成員函數（p152）

在C++中多態（polymorphism）表示”以一個public base class的指標（或者reference），定址處一個derived class object“的意思。

在C++中virtual functions可以在編譯時間期獲知，這一組地址是固定不變的，執行期不可能新增或者替換值。

請看下面一個類Point的定義：

class Point {public:          virtual ~Point();          virtual Point& mult(float)=0;          float x()const {return _x;}          float y()const {return 0.0;}          float z()const {return 0.0;}protected:        Point(float x=0.0);        float _x;};

Point2d繼承自Point。Point3d繼承自Point2d。那麼記憶體模型，單一繼承情況

在單一繼承體系中，virtual function機制的行為十分良好，不但有效率而且很容易塑造其模型出來，但是在多重繼承和虛擬繼承中，對virtual function的支援就沒有那麼美好了

---》thunk技術（p162）

所謂的thunk是一段assembly碼，用來以適當的offser值調整this指標，跳到virtual function去。Thunk技術允許virtual table slot 繼續內含一個簡單的指標，因此多重繼承不需要任何空間上的額外負擔。slots中的地址可以直接指向virtual function，也可以指向一個相關的thunk。

---》vptr將在建構函式中被設立初始值。（p164）

---》多重繼承下的虛函數

    多重繼承下，通常衍生類別會有多個virtual table ，最左邊基類的稱之為：“主要表格”，第二或更過多基類的表格稱為：“次要表格”（參考），衍生類別的主要表格和次要表格可以連在一起，比如Sun的編譯器的策略就是這樣的。（p164，p165）

class drived 繼承自 class Base1 class Base2 類結構如下：

class Base1{                                      class Base2{public:                                            public:          Base1();                                        Base2();          virtual ~Base1();                               virtual ~Base2();          virtual void SpeakClearly();                    virtual void mumble();          virtual Base1* clone() const;                   virtual Base2* clone()const;};                                                     };

這兩個類我故意並列在一起，Base1和Base2的區別就是兩個不同的虛函數void SpeakClearly()和void mumble();

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

那麼這幾個類的virtual table的布局如下：

多重繼承下：derived類會分別重寫“主要表格”和“次要表格”

---》虛擬繼承下的虛函數。

---》當然這本說也不是如此的深入，當一個virtual base class 從另外一個virtual base class派生而來，並且兩者都支援virtual functions和nonstatic data members時，編譯器對於virtual的支援簡直就像進入迷宮一樣。作者只是給了一句話“距離複雜的深淵懸崖不遠了。”（p169）

---》擷取一個nonstatic member function的地址，如果該函數是non virtual，則得到的結果是它在記憶體中的真真實位址。然而這個地址是不全的，他也需要被綁定與某個class object的地址上（this指標），才能過通過它調用函數。（p174）

---》擷取一個virtual member function的地址，只能擷取一個索引值。（p176）

那麼，如果使用一個函數指標float (Point::*pmf)() = &Point::z;這時pmf是一個索引值。

但是，pmf還可以指向一個nonvirtual member function的真真實位址啊？cfront的做法是如果pmf大於127就是真真實位址，如果小於127就是索引值。當然這種設計限定了繼承體系中只能有128個virtual function，這並不是我們希望看到的。在多重繼承的引入後又有了別的方法解決這個問題。然而，剛剛說的這個方法就淘汰了。（p178）

---》多重繼承下，指向member functions的指標。指向member function的指標需要先指向一個結構體，該結構體中存放幾個屬性分別表示virtual table的索引和non virtual member function的地址。詳情見（p179）

---》inline函數提供了一個強有力的工具。然後與non-inline函數比起來，他們需要更小心的處理。

五），構造、析構和拷貝語意學（p191-p236）

看第五章跟打遊戲一樣，看著看著不行了，看不懂了，這關沒過去，還得從頭兒再來。

---》每一個derived class destructor 會被編譯器加以擴充，以靜態調用的方式調用其“每一個virtual base class”已經“上一層base class”的destructor。所以virtual function不要聲明為pure（p193）

point的聲明

type struct{        float x,y,z;}Point;

point的使用：

Point global;

Point foobar(){        Point local;        Point *heap = new Point;        *heap = local;        delete heap;        return local;}

觀念上Point的建構函式和解構函式會被編譯器建立，事實上並非如此：Point被編譯器看做是Plain Ol' Data。

---》無繼承情況下的物件建構（p196）

---》不論是private、public存取層，或是member function的聲明，都不會佔用對象的空間。（p199）

---》constructor可能內帶大量隱藏代碼，因為編譯器會擴充每一個constructor，大致有下面幾種情況：（p206）

        1.初始化“初始化列表中的資料”

        2.如果data member沒有出現在初始化列表中，將調用data member的constructor。

        3.如果有vptr進行初始化。

        4.上一層的base class constructor必須唄調用，以base class的聲明順序為準。

        5.所有virtual base class constructor必須被調用。

---》虛擬繼承下的建構函式。（p210）

如的繼承關係。

如果Vertex3d構造的時候，必然調用Point3d的建構函式，同時調用Vertex的建構函式，然而這兩個類都要必須調用Point2d的建構函式，這是不合理的。取而代之的是應該在Vertex3d的建構函式中直接對Point2d初始化。這樣就需要Vertex3d再條用Point3d或者Vertex的建構函式的時候傳遞一個bool參數__most_derived,即“是否是最後一層繼承關係”，然後Point3d或者Vertex的建構函式根據這個bool變數決定是否構造Point2d。

總結為一句話：virtual base class constructor，只有當一個完整的class object被定義出來時，它才會被調用。如果object只是某個完整的object的suboject

，他就不會被調用。

---》vptr的初始化（p213）

在base class constructor叫用作業之後，但是在程式員提供的代碼或是“member initialization list中所列的members初始化操作”之前編譯器對vptr進行初始化。這個過程就像想象的那樣：一個PVertex對象會先成為一個point2d對象。一個point3d對象、一個vertex對象和一個vertex3d對象，最後才成為一個PVertex對象。

---》一個建構函式的真實步驟可能如下：（216）

        1.在derived class constructor 中，“所有virtual base classes”及“上一層base class”的constructor會被調用。

        2.上述完成後，對象vptr(可能多個vptrs)被初始化，指向相關的virtual table(可能多個表)

        3如果有member initialization list 的話，將在constructor體內擴充開來。這必須在vptr被設定之後才進行，以免有一個virtual member function被調用。

        4.最後，執行程式員所提供的代碼。

---》如果不準將一個class object指定給另外一個class object，那麼只要將copy assignment operator聲明為private即可。（p219）

---》解構函式（p231）

如果class 沒有定義destructor，那麼只有在class內帶的member object（或是class自己的base class）擁有destructor的情況下，編譯器才會自動合成出一個來。否者destructor被視為不需要，也就不需要合成（當然更不需要調用）

---》解構函式的實際操作可能如下：

        1.destructor的函數本身首先被執行

        2.如果class擁有member class objects，而後者擁有destructor，那麼它們會以其聲明順尋的反序被調用。

        3.如果object內帶一個vptr，則現在被重新設定，指向適當的base class的virtual table

        4.如果有任何直接的nonvirtual base lasses 擁有destructor，它們會以其聲明的反序被調用。

        5.如果有任何 virtual base class擁有destructor，而當前討論的這個class是最末端（most-derived）的class，那麼它們會以其原來的構造順尋的相反順尋被調用。

以上是第三章、第四章和第五章的主要內容。

 - - - - - - - - -未完待續---------- 剩餘章節會新寫一個blog- - - - - - - - - - - 

六、C++大記事：

    1993年引入RTTI。

    1991年引入templates 模板（在cfront 3.0中引入的）

    1990 隨著The Annotated C++ Reference Manual修訂，局部變數開始隱藏全域同名變數。

    1989年，發布了Release 2.0。引入了多重繼承、抽象類別、常數成員函數，以及成員保護。

    1987年 引入靜態成員函數。

    20世紀80年代中期引入虛函數。

從某種角度上來說，C++的強大要歸功與C++的編譯器的強大。這時我才知道為什麼用很厚一本書來介紹visual studio，可能也是Symbian不用標準C++的原因。

如有問題，歡迎大家斧正！