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c++对象模型

  • C语言中，数据与处理数据的操作（函数）是分开声明的，这种程序方法被称为程序性的；而在c++中，则是使用abstract data type（ADT）或class hierarchy的数据封装
  • c++对于结构体和函数（不包含virtual和non-inline）的封装并没有增加布局成本，对于C++而言，在布局以及存取时间上主要的额外负担是由virtual引起
    • virtual function
    • virtual base class

The c++ Object Model

  • c++中，有两种class data members：static and nonstatic，和三种class member functions：static、non-static and virtual

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  • 现有以下class声明：

    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;
}

  • 此 class 可以通过三种object models表示

A Simple Object Model

  • 一个object是一系列slots，每一个slots指向一个member，Members按其声明顺序，各被指定一个slot。每一个data member or function member都有自己的一个slot

  • 目的：尽量减低C++ complier的设计复杂度，但会损失空间和执行器的效率

    • 意义：应用到c++的"指向成员的指针"观念中

A Table-driven Object Model

  • 将所有members的信息抽离出来放在一个member data table 和 一个member function table中，而class则含有指向这两个table的pointer
  • 意义：成为virtual function的一个方案

The c++ Object Model

  • 此模型从A Simple Object Model派生而来，并对内存空间和存取时间优化
  • Nonstatic data members被配置于每一个class object内，static data members、Static function members、 nonstatic function members则被存放于个别的class object外。而用virtual functions来支持此model：
    • virtual tabel（vtbl）中存放一些指向由class生成的virtual functions的pointer
    • 每个class object安插一个指针（vptr），此指针指向相关的virtual table。而vptr的setting 和 resetting都有class里的constructor、destructor、copy assignment运算符自动完成。每个class关联的type_info object（支持runtime type identification，RTTI）亦由virtual table指出，通常放于表格中的第一个slot
  • 优点：空间和存取时间效率高
  • 缺点：若应用程序本身未改变，而class内的nonstatic data members有所修改，则应用程序代码需重新编译
  • c++支持单一继承、多重继承、虚拟继承。虚拟继承中，base class不管在继承串链中被派生多少次，永远只存在一个实例subobject

A Keyword Distinction

  • C++为了维护和C之间的兼容性，为此付出了很多牺牲
int (*pq) ();
  • 当语言无法区分此函数是declaration还是invocation时，需要一个超越语言范围的规则，此规则会将此函数判断为declaration
  • struct的一个合理用途：将class object某个数据做封装，达到与C的兼容的空间布局，只有composition才支持
  • template并没有兼容struct

An Object Distinction

  • c++程序设计模型支持三种programming paradigms：
    • procedural model
    • abstract data type model
    • object-oriented model
  • object-oriented model中，被指定的object的真实类型在每个特定执行点前无法解析，只有通过pointer 和 reference才能完成；相反，abstract data type model中，所处理的是一个固体且单一类型的实例，真实类型早在编译时期就已定义，因此速度更快且空间排布更紧凑，但没有弹性
  • c++用三种方法支持多态：
    • 经由一组隐式转化。如把derived class pointer转化为public base type的pointer
    • 经由virtual function机制
    • 经由dynamic_cast和typeid运算符
  • 多态主要用途：由一个共同的接口影响类型封装，此接口通常被定义在抽象的base class
  • class object所需的内存大小：
    • nonstatic data members的总和大小
    • 任何由于alignment（将数值调整到某数倍数）的需求而padding的空间
    • 支持virtual产生的额外负担

The Type of a Pointer

  • "指针类型"告诉编译器如何解释目的地址中的内容和大小，这也是为什么pointer和reference支持多态
  • 我们并不知道void*指针涵盖的地址空间，因此void*的指针只含有一个地址，且不能操作所指向的object
  • cast本质上是编译器指令，它并不改变指针所含的地址，而只影响"所指内存的大小和其内容"的解释方式

Adding Polymorphism

class A
{
    public:
    	virtual action1();
    ...
}


class B : public A
{
    //以下皆为B独有
    public:
    	...
    	void rotate();
    
    protected:
    	enum action2 {...};
    	int n;
}

B b;
A* p1 = &b;
B* p2 = &b;

  • 显然，我们并不不能用p1处理A以外的members，唯一方法是通过virtual

    //以下都可行
(static_cast (p1))->n;

if( B*p3 = dynamic_cast(p1) )	//此为run-time operation,成本较高
    p3->n;

p1->action1()
  • p1将在编译器决定以下两点：
    • 固定的可用接口
    • 此接口的access level
B b;
A a1 = b;	//造成sliced

a1.action1();	//调用A中的
  • 为什么a1中的vptr不会指向b的virtual table?
    • 编译器需确保若object含有一个或一个以上的vptrs，这些vptrs内容不会被base class object初始化或改变
  • 为什么action1()依旧是调用的A的？
    • 多态并不适用于直接存取objects

网站名称：c++对象模型
网页链接：http://cdxtjz.cn/article/dsoiidc.html

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