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深度探索C 對象模型筆記

時間：2021-11-29 15:25:17
關鍵字： 對象模型   
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[導讀]一、關于對象C語言是程序性的，語言本身并沒有支持數(shù)據(jù)和函數(shù)之間的關聯(lián)性C中可能采取抽象數(shù)據(jù)類型，或者是多層次的類結構完成C的封裝并沒有增加多少成本，每一個成員函數(shù)雖然在class中聲明，但是卻不出現(xiàn)在每個對象中每一個非內(nèi)聯(lián)的成員函數(shù)只會誕生一個函數(shù)實例每個內(nèi)聯(lián)函數(shù)會在其每一個使用...


一、關于對象

  • C 語言是程序性的，語言本身并沒有支持數(shù)據(jù)和函數(shù)之間的關聯(lián)性


  • C 中可能采取抽象數(shù)據(jù)類型，或者是多層次的類結構完成


  • C 的封裝并沒有增加多少成本，每一個成員函數(shù)雖然在class中聲明，但是卻不出現(xiàn)在每個對象中


    • 每一個非內(nèi)聯(lián)的成員函數(shù)只會誕生一個函數(shù)實例
    • 每個內(nèi)聯(lián)函數(shù)會在其每一個使用者身上產(chǎn)生一個函數(shù)實例
  • C 在布局以及存儲時間上主要的額外負擔是由virtual引起的


    • 虛函數(shù)機制用以支持一個有效率的“執(zhí)行期綁定”
    • 虛基類用來實現(xiàn)“多次出現(xiàn)在繼承關系中的基類，有一個單一而被共享的實例”
  • 還有一些多重繼承下的額外負擔，發(fā)生在一個派生類和其第二或后繼之基類的轉換之間


1.1 C 對象模式

  • C 對象模型有以下幾點
    • 每個類中存放一個指針稱為vptr，指向虛函數(shù)表
    • 表中每個都指向一個虛函數(shù)
    • 非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員放在類對象內(nèi)
    • 靜態(tài)數(shù)據(jù)成員放在類對象外
    • 靜態(tài)和非靜態(tài)成員函數(shù)也放在類對象外
    • 虛函數(shù)則不同
C 對象模型

1.2 關鍵詞所帶來的差異

  • int ( *pq ) ( ); //聲明


  • 當語言無法區(qū)分那是一個聲明還是一個表達式時，我們需要一個超越語言范圍的規(guī)則，而該規(guī)則會將上述式子判斷為一個“聲明“


  • struct和class可以相互替換，他們只是默認的權限不一樣


  • 如果一個程序員需要擁有C聲明的那種struct布局，可以抽出來單獨成為struct聲明，并且和C 部分組合起來


1.3 對象的差異

  • C 支持三種程序范式：程序模型、抽象數(shù)據(jù)類型模型、面向對象模型


    • 面向對象模型在繼承體系中 ，有時候編譯期間無法確定指針或引用所指類型
  • C 支持的多態(tài)類型：


    1. 經(jīng)由一組隱式的轉化操作：如派生類指針轉化為指向父類的指針
    2. 經(jīng)由虛函數(shù)機制
    3. 經(jīng)由dynamic_cast 和 typeid運算符
  • 一個class所占的大小包括：


    • 其非靜態(tài)成員所占的大小
    • 由于內(nèi)存對齊填補上的大小
    • 加上支持虛函數(shù)而產(chǎn)生的大小
  • 指針的類型，只能代表其讓編譯器如何解釋其所指向的地址內(nèi)容，和它本身類型無關，所以轉換其實是一種編譯器指令，不改變所指向的地址，只影響怎么解釋它給出的地址


  • 當一個基類對象被初始化為一個子類對象時，派生類就會被切割用來塞入較小的基類內(nèi)存中，派生類不會留下任何東西，多態(tài)也不會再呈現(xiàn)。


二、構造函數(shù)語意學

2.1 默認構造函數(shù)的構造操作

  • 以下四種情況下，會合成有用的構造函數(shù)：


    • 類聲明（或繼承）一個虛函數(shù)
    • 類派生自一個繼承串鏈，其中有一個或更多的虛基類
    • 帶有默認構造函數(shù)的成員函數(shù)對象，不過這個合成操作只有在構造函數(shù)真正需要被調(diào)用時才發(fā)生，但只是調(diào)用其成員的默認構造函數(shù)，其他則不會初始化
    • 如果一個派生類的父類帶有默認構造函數(shù)，那么子類如果沒有定義構造函數(shù)，則會合成默認構造函數(shù)，如果有的話但是沒有調(diào)用父類的，則編譯器會插入一些代碼調(diào)用父類的默認構造函數(shù)
    • 帶有一個虛函數(shù)的類
    • 帶有一個虛基類的類
  • C 新手常見的兩個誤解：


    • 任何class如果沒有定義默認構造函數(shù)，就會被合成出來一個
    • 編譯器合成出來的默認構造函數(shù)會顯式設定類中的每一個數(shù)據(jù)成員的額 默認值

2.2 拷貝構造函數(shù)的構造操作

  • 有三種情況會調(diào)用拷貝構造函數(shù)：


    • 對一個對象做顯式的初始化操作
    • 當對象被當作參數(shù)交給某個函數(shù)
    • 當函數(shù)傳回一個類對象時
  • 如果類沒有聲明一個拷貝函數(shù)，就會有隱式的聲明和隱式的定義出現(xiàn)，同默認構造函數(shù)一樣在使用時才合成出來


  • 什么情況下一個類不展現(xiàn)“淺拷貝語意”：


    • 編譯器會合成一個拷貝構造函數(shù)，安插一些代碼用來設定虛基類指針和偏移的初值，對每個成員執(zhí)行必要的深拷貝初始化操作，以及執(zhí)行其他的內(nèi)存相關工作
    • 編譯器會顯式的設定新類的虛函數(shù)表，而不是直接拷貝過來指向同一個
    • 這兩個編譯器都會合成拷貝構造函數(shù)并且安插進那個成員和基類的拷貝構造函數(shù)
    • 當類內(nèi)含有一個成員類而后者的類聲明中有一個拷貝構造函數(shù)（例如內(nèi)含有string成員變量）
    • 當類繼承自一個基類而基類中存在拷貝構造函數(shù)
    • 當類聲明了一個或多個虛函數(shù)
    • 當類派生自一個繼承串鏈，其中有一個或多個虛基類

2.3 程序轉化語意學

  • 在將一個類作為另一個類的初值情況下，語言允許編譯器有大量的自由發(fā)揮的空間，用來提升效率，但是缺點是不能安全的規(guī)劃拷貝構造函數(shù)的副作用，必須視其執(zhí)行而定


  • 拷貝構造的應用，編譯器會多多少的進行部分轉換，尤其是當一個函數(shù)以值傳遞的方式傳回一個對象，而該對象有一個合成的構造函數(shù)，此外編譯器也會對拷貝構造的調(diào)用進行調(diào)優(yōu)，以額外的第一參數(shù)取代NRV（Named Return Value）


2.4 成員們的初始化隊伍

  • 四種情況下你需要使用成員初始化列表
    • 當初始化一個引用成員變量
    • 當初始化一個const 成員變量
    • 當調(diào)用一個基類的構造函數(shù)，而它擁有一組參數(shù)
    • 當調(diào)用一個類成員變量的構造函數(shù)，而它擁有一組參數(shù)
class Word{
String _name;
int _cnt;
public:
Word(){
_name = 0;
_cnt = 0;
}
/*使用成員列表初始化可以解決
Word() : _name(0)，_cnt(0){

}
*/
}
上式不會報錯，但是會有效率問題，因為這樣會先產(chǎn)生一個臨時的string對象，然后將它初始化，之后以一個賦值運算符將臨時對象指定給_name，再摧毀臨時的對象


  • 成員初始化列表中的初始化順序是按照類中的成員變量聲明的順序，與成員初始化列表的排列順序無關

3、Data語意學

class X{};
class Y : public virtual X {};
class Z : public virtual X {};
class A : public Y,public Z {};

sizeof(X) //1
sizeof(Y) //4
sizeof(Z) //4
sizeof(A) //8
  • X為1是因為編譯器的處理，在其中插入了1個char，為了讓其對象能在內(nèi)存中有自己獨立的地址


  • Y，Z是因為虛基類表的指針


  • A 中含有Y和Z所以是8


  • 每一個類對象大小的影響因素：


    • 非靜態(tài)成員變量的大小
    • virtual特性
    • 內(nèi)存對齊

3.1 數(shù)據(jù)成員的綁定

  • 如果類的內(nèi)部有typedef,請把它放在類的起始處，因為防止先看到的是全局的和這個typedef相同的沖突，編譯器會選擇全局的，因為先看到全局的

3.2 數(shù)據(jù)成員的布局

  • 非靜態(tài)成員變量的在內(nèi)存中的順序和其聲明順序是一致的
  • 但是不一定是連續(xù)的，因為中間可能有內(nèi)存對齊的填補物
  • virtual機制的指針所放的位置和編譯器有關

3.3 成員變量的存取

  • 靜態(tài)變量都被放在一個全局區(qū)，與類的大小無關，正如對其取地址得到的是與類無關的數(shù)據(jù)類型，如果兩個類有相同的靜態(tài)成員變量，編譯器會暗自為其名稱編碼，使兩個名稱都不同
  • 非靜態(tài)成員變量則是直接放在對象內(nèi)，經(jīng)由對象的地址和在類中的偏移地址取得，但是在繼承體系下，情況就會不一樣，因為編譯器無法確定此時的指針指的具體是父類對象還是子類對象

3.4 繼承下的數(shù)據(jù)成員

  • 在下面給定的兩個類中依次討論不同情況：



原本的數(shù)據(jù)模型

  • 在單一繼承沒有虛函數(shù)的情況下布局圖



單一繼承且無虛函數(shù)
  • 這種情況下常見錯誤：
    • 可能會重復設計一些操作相同的函數(shù)，我們可以把某些函數(shù)寫成inline,這樣就可以在子類中調(diào)用父類的某些函數(shù)來實現(xiàn)簡化
    • 把數(shù)據(jù)放在同一個類中和繼承起來的內(nèi)存布局可能不同，因為每個類需要內(nèi)存對齊


    • 疊在一起的內(nèi)存布局


分層繼承的布局
可見內(nèi)存大了100%


  • 容易出現(xiàn)的不易發(fā)現(xiàn)的問題：


繼承下易犯錯誤

  • 當加上多態(tài)之后，對空間上增加的額外負擔包括：

    • 析構函數(shù)的調(diào)用順序是反向的，從子類到父類
    • 導入一個虛函數(shù)表，表中的個數(shù)是聲明的虛函數(shù)的個數(shù)加上一個或兩個slots(用來支持運行類型識別)


    • 在每個對象中加入vptr，提供執(zhí)行期的鏈接，使每一個類能找到相應的虛函數(shù)表


    • 加強構造函數(shù)，使它能夠為vptr設定初值，讓它指向對應的虛函數(shù)表，這可能意味著在派生類和每一個基類的構造函數(shù)中，重新設定vptr的值


    • 加強析構函數(shù)，使它能夠消抹“指向類的相關虛函數(shù)表”的vptr,vptr很可能以及在子類析構函數(shù)中被設定為子類的虛表地址。


    • 以下是三種情況不同的繼承下會有不同的布局


    • Vptr放在尾端


    • vptr放在前端




含虛函數(shù)的數(shù)據(jù)分布

  • 多重繼承

  • **單一繼承特點：**派生類和父類對象都是從相同的地址開始，區(qū)別只是派生類比較大能容納自己的非靜態(tài)成員變量


  • 多重繼承下會比較復雜




多重繼承關系
  • 一個派生對象，把它的地址指定給最左邊的基類，和單一繼承一樣，因為起始地址是一樣的，但是后面的需要更改，因為需要加上前面基類的大小，才能得到后面基類的地址


多重繼承數(shù)據(jù)分布

  • 虛繼承

  • STL標準庫中使用的虛繼承：


  • 虛繼承關系圖


  • 虛繼承關系：





    虛繼承例子


  • 虛繼數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的分布


  • 虛繼承數(shù)據(jù)模型


  • 虛繼承數(shù)據(jù)模型2


3.5 對象成員的效率

  • 程序員如果關心程序效率，應該實際測試，不要光憑推論、常識判斷或假設。
  • 優(yōu)化操作并不一定總是能夠有效運行，我不止一次以優(yōu)化方式來 編譯一個已通過編譯的正常程序，卻以失敗收場

3.6 指向數(shù)據(jù)成員的指針

  • vptr通常放在起始處或尾端，與編譯器有關，C 標準允許放在類中的任何位置


  • 取某個類成員變量的地址，通常取到得的是在類的首地址的偏移位置


    • 例如
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