c/c++对象模型大总结：第5-8章、数据成员的存取与布局

深度探索c++对象模型大总结、中

--第五~八章

作者：July、吴黎明。

声明：版权所有，侵权必究。

二零一一年三月十八日。

本文接上一篇 c++对象模型大总结：第1-4章、对象初探与构造函数，而写。

第二部分

第五章、数据成员的布局

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已知下面一组数据成员：
class Point3d{
public:
//…
private:
float x;
static List<Point3d*> *freeList;
float y;
static const int chunkSize = 250;
float z;
}
非静态数据成员在class object中的排列顺序将和其被声明的顺序一样，任何中间介入的静态数据成员如freeList和chunkSize都不会被放进对象布局中。在上述例子中，每一个Point3d对象由三个float组成，次序是x、y、z。静态数据成员存放在程序的data segment中，和个别的class object无关。

C++标准要求，在同一个access section（也就是private、public、protected等区段）中，members的排列只须符合“较晚出现的members在class object中有较高的地址”这一条即可。也就是说，各个members并不一定得连续排列。什么东西可能会介于被声明的members之间呢？比如说members的边界调整时需要填充的一些字节等等。

同时，编译器还可能会合成一些内部使用的data members，以支持整个对象模型。vptr就是这样的东西，当前所有的编译器都把它安插在每一个“内含virtual function的class”的object内。vptr会被放在什么位置呢？传统上它被放在所有明确声明的members的最后，不过如今也有一些编译器把vptr放在class object的最前端。C++ standard允许编译器把这些内部产生出来的members自由放在任何位置上。

C++标准也允许编译器将多个access sections之中的data members自由排列，不必在乎它们出现在class声明中的次序。也就是说，下面这样的声明中：

class Point3d{
public:
//…
private:
float x;
static List<Point3d*> *freeList;
private:
float y;
static const int chunkSize = 250;
private:
float z;
}

其class object的大小和组成和我们先前声明的那个相同，但是members的排列次序则视编译器而定。编译器可以随意把y或z或其它什么东西放在第一个，不过大部分的编译器都没有这样做。当前各家编译器都是把一个以上的access sections连锁在一起，依照声明次序，成为一个连续的区块。access sections的多少，不会招来额外的负担。例如，在一个section中声明8个members，或是在8个sections中总共声明8个members，得到的object大小是一样的。

第六章、静态数据成员的存取

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Static data members，按照其字面意思，被编译器提出到class之外，并被视为一个global变量（但只在class生命范围之内可见）。每一个member的存取许可（private或protected或public），以及与class的关联，并不会导致任何空间上或执行时间上的额外负担。
每一个static data member只有一个实体，存放在程序的data segment之中。每次程序取用static data member，就会被内部转化为对该唯一的extern实体的直接操作：
//origin.chunkSize = 250;
Point3d::chunkSize = 250;
//pt->chunkSize = 250;
Point3d::chunkSize = 250;

从指令执行的观点来看，这是C++语言中“通过一个指针和通过一个对象来存取member，结论完全相同”的唯一一种情况。这是因为“经由member selection operators对一个static data member进行存取操作“只是语法上都一种便宜行事而已。member其实不在class object之中，因此存取static members并不需要通过class object。

如果chunkSize是从一个复杂继承关系中继承而来都member，又当如何呢？或许它是一个“virtual base class的virtual base class“（或其它同等复杂的继承结构）的member也说不定。即使这样的情况，也是无关紧要的，程序之中对于static members还是只有唯一的一个实体，而其存取路径依然是那么直接。

若取一个静态数据成员的地址，会得到一个指向其数据类型的指针，而不是一个指向其class member的指针，因为static member并不内含在一个class object之中。例如：
&Point3d：：chunkSize；
会获得类型如下都内存地址：
const int*

如果有两个classes，每一个都声明了一个static member freeList，那么当它们都被放在程序的data segment时，就会导致名称冲突。编译器的解决办法是暗中对每一个static data member编码（这种手法被称为：name-mangling），以获得一个独一无二的程序识别代码。

第七章、非静态数据成员的存取

非静态数据成员直接存放在每一个class object之中。除非经由明确的（explicit）或暗喻的（implicit）class object，没有办法直接存取它们。只要程序员在一个member function中直接处理一个nonstatic data member，所谓“implicit class object”就会发生。例如下面这段代码：

Point3d Point3d::translate( const Point3d &pt ){
x += pt.x;
y += pt.y;
z += pt.z;
}

表面上所看到的对于x、y、z的直接存取，事实上是经由一个“implicit class object“（由this指针表达）来完成，事实上这个函数的参数为：

//member function的内部转化
Point3d Point3d::translate( Point3d * const this， const Point3d &pt ){
this->x += pt.x;
this->y += pt.y;
this->z += pt.z;
}

欲对一个非静态数据成员进行存取操作，编译器需要把class object的起始地址加上data member的偏移量。比如：
origin._y = 0.0;
地址&origin._y将等于：
&origin + （&Point3d::_y - 1）；

要注意这里都有减1的操作。指向数据成员的指针，其offset值总是被加上1，这样可以使编译系统区分出“没有指向任何数据成员的指针”和“指向第一个数据成员的指针”这两种情况。
每一个非静态数据成员的偏移量（offset）在编译时期即可获知，甚至如果member属于一个base class subobject也是一样，因此，存取一个非静态数据成员，其效率和存取一个C struct member或一个nonderived class的member也是一样的。

现在我们看看虚拟继承。虚拟继承将为“经由base class subobject“存取class members导入一层新的间接性，譬如：

Point3d *pt3d；
Pt3d->_x = 0.0;

其执行效率在_x是一个struct member、一个class member、单一继承、多重继承的情况下都完全相同。但如果_x是一个virtual base class的member，存取速度会慢一些。

第八章、“继承“与数据成员

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只要继承不要多态（Inheritance without Polymorphism）
假设有如下三个类及其继承关系：

class Concreate1{
public:
//...
private:
int val;
char bit1;
};
class Concreate2 : public Concrete1{
public:
//...
private:
char bit2;
}
class Concreate3 : public Concrete2{
public:
//...
private:
char bit3;
}

Concreate1、Concreate2、Concreate3的对象布局情况：

C++语言保证”出现在派生类中的base class subobject有其完整原样性“。Concrete1内含两个members：val和bit1，加起来5bytes。而一个Concreate1 object实际上用掉8bytes，包括填充用的3bytes，以使object能够符合一部机器的word边界。一般而言，边界调整(alignment)是由处理器来决定的。
然而，Concreate2的bit2实际上却是被放在填补空间所用的3bytes之后，于是其大小变成12bytes，而不是8bytes，其中6bytes浪费在填补空间上。相同的道理使得Concreate3 object的大小是16bytes，其中9bytes用于填补空间。

加上多态（adding Polymorphism）
假设我们要处理一个坐标点，而不打算在乎它是一个Point2d或Point3d实例，那么我们需要在继承关系中提供一个virtual function接口：

class Point2d{
public:
Point2d(float x=0.0, float y=0.0) : _x(x),_y(y){};
virtual float z(){return 0.0;}
virtual void z(float){}
operate+=(const Point2d &rhs){
_x += rhs.x();
_y += rhs.y();
}
protected:
float _x;
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){};
virtual float z(){ return _z; }
virtual void z(float newZ){ _z = newZ; }
operate+=(const Point2d &rhs){
Point2d::operator+=(rhs);
_z += rhs.z();
}
protected:
float _z;
}

只有当我们以多态的方式来处理2d或3d坐标点时，在设计之中导入一个virtual接口才显得合理。也就是说，写下这样的代码：

void foo( Point2d &p1, Point2d &p2 ){
//…
P1 += p2;
//…
}

其中p1和p2可能是2d也可能是3d坐标点，这并不是以前任何设计所能支持的。这样的弹性，当然正是面向对象程序设计的中心。同时，支持这样的弹性，也给我们的Point2d class带来空间和存取时间的额外负担：
导入一个和Point2d有关的virtual table，用来存放它所声明的每一个virtual functions的地址。
在每一个class object中导入一个vptr，提供执行期的链接，使每一个object能够找到相应的virtual table。

加强constructor，使它能够为vptr设定初值，让它指向class所对应的virtual table。这可能意味着在derived class和每一个base class的constructor中，重新设定vptr的值。其情况视编译器的优化的积极性而定。

加强destructor，使它能够抹消“指向class之相关virtual table“的vptr。要知道，vptr很可能已经在derived class destructor中被设定为derived class的virtual table地址。记住，desturctor的调用次序是反向的：从derived class到base class。

下图显示了Point2d和Point3d加上了virtual function之后的继承布局。此图把vptr放在base class的尾端：

多重继承（Multiple Inheritance）
多重继承不像单一继承，不容易模塑出其模型。多重继承的复杂度在于derived class和其上一个base class乃至于上上一个base class…之间的“非自然“关系。例如，考虑下面这个多重继承所获得的class Vertex3d：

class Point2d{
public:
//...
protected:
float _x;
float _y;
}

class Point3d : public Point2d{
public:
//...
ptotected:
float _z;
}

class Vertex{
public:
//...
protected:
Vertex *next;
}

class Vertex3d : public Point3d, public Vertex{
public:
//...
protected:
float mumble;
}

至此，Point2d、Point3d、Vertex、Vertex3d的继承关系如下图所示：

多重继承的主要问题发生于derived class objects和其第二或后继的base class objects之间的转换。对于一个多重派生对象，将其地址指定给“最左端base class的指针”，情况将和单一继承时相同，因为二者都指向相同的起始地址。至于第二个或后继的base class的地址指定操作，则需要对地址进行调整：加上（或减去，如果downcast的话）介于中间的base class subobject大小，例如：

Vertex3d v3d；
Vertex *pv；
Point2d *p2d；
Point3d *p3d；

那么下面这个指定操作：
pv = &v3d;
需要这样的内部转化：
//虚拟C++码
pv = (Vertex *)( ((char *)&v3d) + sizeof( Point3d ) )

而下面都指定操作：
p2d = &v3d;
p3d = &v3d;
都只需要简单地拷贝其地址就可以了。下面是该多重继承的数据布局示意图：

虚拟继承（Virtual Inheritance）
下图是Point2d、Point3d、Vertex、Vertex3d的继承体系：

class Point2d{
public:
//...
protected:
float _x;
float _y;
};

class Vertex : public virtual Point2d{
public:
//...
protected:
Vertex *next;
};

class Point3d : public virtual Point2d{
public:
//...
protected:
float _z;
};

class Vertex3d: public Vertex, public Point3d{
public:
//...
protected:
float mumble;
};

在存取派生类的共有的虚拟基类的时候，cfront编译器会在每一个派生类对象中安插一些指针，每个指针指向一个virtual base class。要存取继承得来的virtual base class members，可以使用相关指针间接完成。

上面这种实现方式的一个缺点是：每一个对象必须针对每一个virtual base class背负一个额外的指针。然而理想情况下我们希望class object有固定的负担，不因为其virtual base classes的数目而有所变化。该如何解决这个问题呢？virtual table offset strategy采用了另外一种实现策略：在virtual function table中放置virtual base class的offset（而不是地址），将virtual base class offset和virtual function entries混在一起。virtual function table可经由正值或负值来索引：如果是正值，很显然就索引到virtual functions；如果是负值，则索引到virtual base class offsets。

一般而言，虚基类最有效的一种运用形式就是：一个抽象的虚基类，其中没有任何数据成员。
参考资料：
《深度探索C++对象模型》

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