C++对象模型(五):The Semantics of Data Data语义学
本文是《Inside the C++ Object Model》第三章的读书笔记。主要讨论C++ data member的内存布局。这里的data member 包含了class有虚函数时的vptr和vtable的布局情况。
1. 开头几个小问题
1. 首先回答一个问题: 一个空类,sizeof是多少?答案是1。因为编译器会生成一个隐晦的1bytes,用于区分,当该类多个对象时,各个对象都能在内存分配唯一地址。
2. 还有虚函数表的指针vptr,可能在类的开始,也可能在类的结尾。通常是类的结尾。(注:比较新的VC++和GCC都是在开头。不知道是否所有的版本都是)。
3. 关于成员变量的内存对齐,例如一个类只有char a一个属性; 但是它的大小是4(32位。64位机器是8?但是我是用GCC的sizeof仍然是1。熟悉汇编应该知道,这个地址应该不会存其他的内容了,因此说sizeof是4/8也可理解)。虽然char的大小是1。
4. 属性的内存顺序和声明顺序是一致的。不同级别(public、protected和private)属性的排列顺序是相对一致的,就是说可能不连续,但是必须符合较晚出现的属性存在较高的地址。
2. vptr值的不同存储方式
以下的图来自http://blog.csdn.net/hherima同学。非常感谢hherima同学的图。我将使用hherima同学的图,加上我自身的理解来彻底巩固并且分享给各位可爱的程序猿们。
下图演示单一继承并含有虚函数情况下的数据布局。Point2d 和Point3d是继承关系。Point2d含有虚函数,而Point3d自身没有虚函数。
注意:vptr放在类的末尾。这种方式在刚开始被很多编译器采用,因为可以保存base c struct的内存布局。
但是到了C++2.0,开始支持虚拟继承和抽象基类;并且由于OO的兴起,某些编译器开始把vptr放到class object的起头处。比如微软的第一个C++编译器就是采用这种方法。
前端存放的好处就是编译器可以直接访问虚函数表而不需要通过offset。当然代价就是与C的struct不再兼容。但是谁会从一个C struct派生出具有虚函数的C++ class呢?
如果是前端存放,还存在一个问题:如果基类没有虚函数,派生类有虚函数,那么单一继承的自然多态就会被打破。如果要将派生类转换成基类,必须编译器的介入。但是这种情况也比较少,因此多态就是为了继承,谁会设计出这种继承呢?既然这不是大多数的case,采用vptr在开头,那么就具有很好的意义。这种conventional实际上很利于编译器将C++编译到汇编,而且汇编也比较容易读。否则,放在结尾的话,每个class的data member数量是不一样的,因此vptr存储的offset也不一样。而放到头上,那么0号位置存的就是vptr,1号位置存的就是第一个data
member,这样不单利于编译代码,也便于我们阅读反汇编的汇编代码。
3. 数据成员(data member)的内存布局
在上一小节中我们讨论了vptr的不同存放方式。编译器需要通过设置offset来存取vptr和data member。在98页关于对一个nonstatic data member的存取操作描述,feel confused:作者的意思是如果是直接取对象的第一个data member,那么需要在对象的地址+1。我不是太明白。如果是存取对象的第一个成员,那么对象的地址应该就是指向第一个成员的,它可能是vptr,也可能是第一个data member。那么如果是汇编,那么直接取该地址的内容,该地址的内容有可能是成员的值,也可能存的仍是地址(指针),那么offset+1没有意义。如果是C++的code,那么本身不需要这么麻烦,谁会直接将对象所在的地址进行解释,而不是通过C++的方式?当然某些高性能编程可能是,但是我实在想不出有任何理由要这样去做。
C++语言保证“出现在派生类中的基类对象,有其完整性”,这么做是为了在位拷贝的时候,能够拷贝正确。一般每个成员都会独占一个地址,意思是在32位机器上,每个数据成员至少占用4个B。当然为了内存对齐,比如有一下class:
class data{
char a;
char b;
int c;
};
那么a和b可能会share一个地址单元,即sizeof(data) = 8;但是子类,父类的数据成员可以为了空间效率share一个地址单元吗?
假如Concrete1 和Concere2都有一个char的属性,而且Concere2继承自Concrete1。那么如果这两个数据成员share一个地址单元会有什么问题?那么我们思考一下以下的赋值能符合我们的预期吗?
Concrete1 *pc1_1, pc1_2;
Concrete2 c2;
pc1_1 = &c2;
//memory allocate for pc1_2
*pc1_2 = *pc1_1;
注意,从pc1_1到pc1_2的memberwise复制(复制一个一个的member)时,pc1_1的char b就被抹掉了。那么pc1_1就丢掉了派生类的信息。而这个复制很显然不是我们需要的!
这也是为什么C++语言保证“出现在派生类中的基类对象,有其完整性”!
3. 多重继承(Multiple Inheritance)
对于一个多重派生对象,将其地址指定给“最左端(也就是第一个)基类的指针”,情况和单一继承时相同,因为两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,至于第二个或后继的base class的地址指定操作,则需要进行地址修改:加上或者减去介于中间base class大小。
下图展示了多继承的关系。涉及到4个类 Point2d、Point3d、Vertex和Vertex3d(p115)
下面展示了多重继承的对象模型。
注意,多继承的情况下,drived clas可能会有两个或两个以上虚函数表指针。
请看下面的表达式:
Vertex3d v3d;
Vertex* pv;
Point2d* p2d;
Point3d * p3d;
那么这个操作 pv = &v3d 需要转换内部代码
pv = (Vertex*)(((char*)&v3d) + sizeof(Point3d))
那么如果pv是从另外一个Vertex3d的指针(比如是pv3d)拷贝过来呢?那么需要考虑空指针的情况。
pv = pv3d
?(Vertex*)(((char*)&v3d) + sizeof(Point3d))
:0;
下面这两个操作,只需要拷贝地址就行了。
p2d = &v3d;
p3d = &v3d;
以下引自陈皓先生的名著《C++ 对象的内存布局(上)》中多重继承。使用的是VC++和GCC3.4.4
使用图片表示是下面这个样子:
我们可以看到:
1) 每个父类都有自己的虚表。
2) 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。
3) 内存布局中,其父类布局依次按声明顺序排列。
4) 每个父类的虚表中的f()函数都被overwrite成了子类的f()。这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例,而能够调用到实际的函数。
4. 虚拟多继承情况
下图可以表现Vertex3d 的继承体系图。左为多重继承,右为虚拟多重继承。
各个class的定义如下:
class Point2d{
...
protect:
float _x, _y;
}; class Vertex: public virtual Point2d{
...
protected:
Vertex *next;
}; class Point3d: public virtual Point2d{
...
protected:
float _z;
}; class Vertex3d: public Vertex, public Point3d{
...
protected:
float mumble;
};
不论是Vertex还是Point3d都内含一个Point2d。然而在Vertex3d的对象布局中,我们只需要单一一份Point2d就好。如何使多重继承,那么Vertex3d对象中将有两个Point2d,那么对Point2d的引用可能会有歧义。所以引入虚拟继承。然而编译器要实现虚拟继承,实在是困难度颇高。虚拟继承的原则就是:让Vertex和Point3d各自维护的Point2d
折叠成一个有Vertex3d维护的单一Point2d,并且还可以保存base class 和derived class的指针之间的多台指定操作。
如果一个class含有virtual base classsubobjects, 那么,该对象将被分割为两部分:一个不变局部和一个共享局部。不变局部中的数据,不管后继如何演化,总是拥有固定的offset,所以这部分数据可以直接存取。至于共享局部(即virtual base class),这一部分的数据,其位置会因为每次的派生操作而有变化,所以他们只能被间接存取。各家编译器实现技术之间的差异就是间接存取的方法不同。
如何存取class的共享局部呢?cfront编译器会在每一个derived class中安插一个指向virtual base class的指针,这样就可以间接存取。这样的实现模型会有下面两个主要缺点:
1.每一个对象必须针对其每一个virtual base class 背负一个额外的指针。
解决方法有:第一个,Microsoft编译器引入所谓的virtual base class table。每一个class object如果有一个或多个virtual base class,就会由编译器安插一个指针,指向virtual base class table。至于真正的virtual base class 指针,当然是被放在该表格中。
请看下面的虚拟继承对象模型,如图。
红框内即所谓的“共享局部”,其位置会因每次派生操作而有所变化。虚拟破坏了base class 的对象完整型,虚拟继承会在自己类中生成一个虚函数表指针。
第二个、在virtual function table 中放置virtual base class的offset(不是地址)。
这个方法的好处是,巧妙的利用了虚函数表的结构,使得drived class 能够节省一个指针的大小。上图中蓝色曲线是offset
2.由于虚拟继承串链的加长,导致间接存取层次的增加。例如:如果我们有三层虚拟衍化,我就需要三次间接存取(经由三个virtual base class指针)。
这个问题的解决方案有:拷贝所有的virtual base class 的指针到drived class中。这样就解决了存取时间的问题,虽然会有空间的开销。
参考资料:
1. http://blog.csdn.net/haoel/archive/2008/10/15/3081328.aspx
2. http://blog.csdn.net/hherima/article/details/8888539
C++对象模型(五):The Semantics of Data Data语义学的更多相关文章
- $.data(data , "")
今天在二次开发的时候,看到源代码的新闻列表是Aajax获取的,点击新闻内容触发编辑,我没有看到新闻Id却能查到信息. 观看$.ajax遍历赋值过程中,$tr("<a>新闻内容&l ...
- [Android Tips] 10. Pull out /data/data/${package_name} files without root access
#!/usr/bin/env bash PACKAGE_NAME=com.your.package DB_NAME=data.db rm -rf ${DB_NAME} adb shell " ...
- Android配置----DDMS 连接真机(己ROOT),用file explore看不到data/data文件夹的解决办法
Android DDMS 连接真机(己ROOT),用file explore看不到data/data文件夹,问题在于data文件夹没有权限,用360手机助手或豌豆荚也是看不见的. 有以下两种解决方法: ...
- android DDMS 连接真机(己ROOT),用file explore看不到data/data文件夹的解决办法
android DDMS 连接真机(己ROOT),用file explore看不到data/data文件夹的解决办法 问题是没有权限,用360手机助手或豌豆荚也是看不见的. 简单的办法是用RE文件管理 ...
- Android /data/data/app_file/目录下面安装apk无权限问题
当识别SDCard的时候 String filePath = null; String state = Environment.getExternalStorageState(); if (state ...
- 如何在安卓/data(而不是/data/data)目录下进行文件的读写操作
分析:Android默认是无法直接操作/data目录的,只能读写程序自己的私有目录,也就是/data/data/package name/下,默认只能操作这个目录下的文件,也就是我们想直接读写/dat ...
- 数据库内存泄漏——A SQLiteConnection object for database '/data/data/.../databases/....db' was leaked!
详细异常: A SQLiteConnection object for database '/data/data/.../database/....db' was leaked! Please ...
- DDMS中File Explorer无法查看data/data文件解决办法
http://www.cnblogs.com/smyhvae/p/3881477.html 找了个连接 问题描述:最近在学习Android SQLite中的SQLiteOpenHelper,使用SQ ...
- Android获取文件夹路径 /data/data/
首先内部存储路径为/data/data/youPackageName/,下面讲解的各路径都是基于你自己的应用的内部存储路径下.所有内部存储中保存的文件在用户卸载应用的时候会被删除. 一. files1 ...
- Libgdx实现异步加载网络图片并保存到SD卡或者data/data目录下边
Libgdx实现异步加载网络图片并保存到SD卡或者data/data目录下边,当本地有图片的时候,直接从本地读取图片,如果本地没有图片,将从服务器异步加载图片 package com.example. ...
随机推荐
- IOI2016Day2. Messy
题目链接:http://uoj.ac/problem/239 题目大意: 这是一道交互题,交互库维护了一个数据结构,可以存储n为二进制串,一开始你可以向空的数据结构中插入若干二进制串, 接下来这个数据 ...
- 18. 4Sum(中等)
Given an array S of n integers, are there elements a, b, c, and d in S such that a + b + c + d = tar ...
- CRM客户关系管理系统(二)
第三章.前端页面设计 3.1.前端页面布局 Bootstrap模板下载 (1)静态文件 新建statics目录(存放css/fonts/imgs/js/plugins) settings配置 STA ...
- ACM pie
我的生日快到了,传统上我正在做馅饼.不只是一个馅饼,不,我有N个,各种口味和各种尺寸. 数量为F我的朋友会来到我的聚会,每个人都得到一个馅饼. 这应该是一块馅饼,而不是几个小块,因为看起来很乱.这一块 ...
- Python3 输入和输出
输出格式美化 Python两种输出值的方式: 表达式语句和 print() 函数.(第三种方式是使用文件对象的 write() 方法; 标准输出文件可以用 sys.stdout 引用.) 如果你希望输 ...
- 深入理解DirectByteBuffer
介绍 最近在工作中使用到了DirectBuffer来进行临时数据的存放,由于使用的是堆外内存,省去了数据到内核的拷贝,因此效率比用ByteBuffer要高不少.之前看过许多介绍DirectBuffer ...
- Spring常用配置
----------------------------------------------------------------------------------------------[版权申明: ...
- [精简版]snowing snow
CSS <style> body { background: #eee; } @keyframes mysnow { 0% { bottom: 100%; opacity: 0; } 50 ...
- Dynamics CRM 产品视图列上自带按钮的隐藏
CRM中对command bar的处理都是使用ribbon workbench,但是很多系统自带的按钮你是没法在ribbon workbench看到的,咱们以产品为例,比如我要隐藏form上的保存按钮 ...
- Docker简介/安装/使用
什么是Docker?docker是一个开源的应用容器引擎,系统级的轻量虚拟化技术.应用程序的自动化部署解决方案,能够迅速创建一个容器,并在容器上部署和运行应用程序,并通过配置文件可以轻松实现应用程序的 ...