关于C/C++的一些思考（4）

C++的类型转换规则：

• 对于数值类型而言：当一个较小数值类型赋值给一个较大数值类型的时候，C++支持隐式的类型转换，不会有任何的损失；

• 对于数值类型而言，当一个较大数值类型赋值给一个较小数值类型时候，由于较小数值类型内存空间有限，有信息丢失，这种转换被视为不安全，但仍旧可以隐式进行；

• 对于对象类型而言，派生类对象中的信息肯定包含基类对象，将一个派生类对象赋值给基类对象的时候，肯定也有信息丢失，但是这不会影响我们使用基类对象的信息，所以这种转换被视为安全的，可以隐式进行；

• 对于对象类型而言，反过来，如果将基类对象赋值非派生类对象，由于没有足够的信息来填充派生类对象的对应空间，这样的转换被视为不安全的；如果是按值传 递，则不能进行显示转换（除非定义转换构造函数或者转换运算符重载函数），如果是指针或者索引类型则可以进行显示转换（强制转换，可行，但无意义）；对于对象类型而言，反过来，如果将基类对象赋值非派生类对象，由于没有足够的信息来填充派生类对象的对应空间，这样的转换被视为不安全的；如果是按值传 递，则不能进行显示转换（除非定义转换构造函数或者转换运算符重载函数），如果是指针或者索引类型则可以进行显示转换（强制转换，可行，但无意义）；

对象值类型之间的类型转换：

• 对于不同类型之间的赋值classB=classA而言，如果没有对应的赋值运算符重载函数，则首先通过转换构造函数转换，再使用赋值运算符重载函数赋值；

• 对于不同类型之间的混合运算classB=classA+classC而言，如果没有正确参数对应的友元函数，则需要首先使用转换构造函数进行类型转换，然后调用友元函数；

• 对于相同类型之间的初始化classB b=classB而言，调用的是拷贝构造函数，所以对于不同种类型没有作用；

• C++对于内部数值类型的类型检查不严，认为这些类型都可以相互隐式转化，从这个角度看C++是弱类型语言；对于基类和派生类而言，派生类可通过隐式转换 到达基类（通过拷贝构造函数或者赋值运算符重载函数实现），但是基类必须通过强制转换才可以到达派生类（这些规则对于类对象类型，引用类型和指针类型都适 用），不相关类型之间的转换只能通过特殊的程序特征设计才能实现，所以从这个角度看C++是强类型语言；

C++中有三种强制类型转换方式：

• 转换构造函数：当提供非目标对象类型的类型时，将调用转换构造函数创建一个临时对象，此临时对象一般情况下会用于拷贝构造函数（参数传递，初始化）或重载 赋值运算符函数（赋值）的参数。如果在转换构造函数前添加explicit关键字，则需要显示使用强制转换符号才能显示进行转换。

  Base::Base(int init) {……}

  有一函数void setOther(Base b)，则如果传入参数为setOther(5);实际的调用为

  setOther(Base(5));

  依赖转换构造函数的隐式转换仅限于按值传递参数类型，因为转换构造函数构造一个对象本身，所以对于指针和引用类型的参数不能依赖这个机制；

• 转换运算符重载函数：不能有在函数头上定义返回值，但是函数体内需要有return返回值，定义：operator const char* () const {return ptr;} 其中的const char*就是最终转到的类型，使用：(char *)typeinst; typeinst 就是定义转换运算符函数的类型，此类函数的功能与static_cast<> ()类似。尽管没有显示声明返回值，但是函数体内也需要使用return语句返回对应函数名的类型；

  operator const char*() const {……return const ptr;}

  operator char*() {……return ptr;}

• 指针（引用）之间的转换：隐式转换的规则仅适用于数值类型（和有转换构造函数的类型），任何类型的变量都可以接受强制类型转换的初始化或者赋值，但大多数情况下是使用新的类型解释机制去解释原有的内存数据，尽管没有意义，但是编译器却允许这样的显示转换；

• 当使用基类对象作为右值赋值给作为左值的派生类对象时，即使使用强制转换也是不合法的；仅有定义针对基类对象的赋值运算符重载函数才可以（派生类对象有部分数据需要额外赋值）

   class Base {}; class Derived :public Base {}
   Derived d; Base b;
   d=b;//错误，一定需要赋值运算符重载函数
   d=(Derived)b;//错误，一定需要转换操作符重载函数

  解决办法是：
          之一：为Derived添加赋值运算符重载函数
                  void Derived::operator=(const Base &b)
                  void Derived::operator=(const Derived &d)

  之二：为Derived添加转换构造函数
                  Derived::Derived(const Base & b)

  之三：为Base添加转换操作符重载函数
                  Base::Derived() {……return derived;}

对象类型之间的转换，无论是基类对象转换成派生类对象，还是派生类对象转换成基类对象，都是生成新对象的过程，需要调用对应的构造函数，并且可能会丢失信 息（派生类转换到基类的时候会出现信息丢失）。而指针或者索引之间的转换则只是访问模式的转换，对于对象本身来讲并没有实质上的变化，因此不同类别之间的 指针和索引可以相互转换，并且转换是可逆的；

虚函数机制的使用：

• 只适用于指针和索引类型

• 其本身不能是静态函数，不能使用对象变量或者作用域运算符调用

• 并且一般是基类类型指针（索引）指向派生类类型对象的时候使用

• 继承模式为public（隐式转换只有在公共派生时才有效）

• 虚函数不能声明为static，private

• 派生类中对应的函数需要与基类中的函数的名字，参数列表，返回值都完全相同；

   class Base {virtual void func() {……}};
   class Derived1 : public Base {void func() {……}};
   class Derived2 : public Base {void func() {……}};
   Base* comBase=new Derived1(); comBase->func();//调用1
   comBase=new Derived2(); comBase->func();//调用2

  则comBase会根据具体索引不同的派生类类型，调用不同的func()方法

四类函数定义：

• 1类：基类中定义，派生类中没有定义

• 2类：基类中没有定义，派生类中进行了定义

• 3类：基类中，派生类中都进行了定义（相同函数名）

• 4类：虚函数

三类索引情况：（针对四类函数定义中的四项）

• 基类指针索引基类对象：1

• 派生类指针索引派生类对象：某些public继承子基类的1，2和3中的派生类定义（静态绑定）；

• 基类指针索引派生类对象：1，3中的基类定义（静态绑定）和4中的派生类定义（动态绑定）；

对C++类的内存模型的理解：

• static类函数和static类成员数据是独立于类而言，也就是存储于静态存储区；

• 非static类函数是针对类而言，也就是所有相同类型的实例都共享同一份非static类函数列表的内存，这份数据在类的第一个实例创建的时候载入内 存，直到最后一个类的实例销毁的时候才销毁，表示一个类的数据；非static类函数以Table的形式出现，每一个slot表示函数的调用地址；如果是 派生类，则Table会以基类的Table作为模板（因此包含private, protected和public的函数指针），然后将派生类的类函数地址存储到新的Table中（顺序查找是否有同名函数，如果有则实现函数覆盖；如果 没有，则加入Table的末尾）；由于使用Base::fun2()就可以访问基类的方法，所以可能不是简单的同名覆盖；

• 非static类成员数据是针对实例而言，也就是相同类型的实例在内存中有一份独立的成员数据拷贝，在非static类函数体内通过*this指针进行成 员数据的访问；如果是派生类，则其内存中会包含所有基类的数据成员（因此包含所有private, protected和public的数据成员）；

• virtual函数是针对实例而言，含有虚函数的类与不含有虚函数的类在内存中同样具有以Table形式存储指向类函数的指针的列表，派生类的类函数地址 同样会存储于Table中（顺序查找是否有同名函数，如果有则实现函数覆盖；如果没有，则加入Table的末尾）；不同的是，类实例的内存的起始位置会使 用4bytes（一个指针大小）存储指向这个Table的指针，因此这个Table更名为Virtual Table；并且表明为virtual的函数会使用运行时查找的方式到VTable中查找函数，其他函数仍旧使用静态绑定的方式确定类函数调用地址；

• 如果是多继承的情况，则按照继承顺序依次存储每一个基类的VT_Ptr和数据，最后才是自身的数据；

   class Base {
     private:
           int data0;
     public:
           int data1;
           static int data2;
     public:
           void fun1();
           void fun2();
           void fun3();
           virtual void fun4();
           virtual void fun5();
           virtual void fun6();
           static void fun7();
   };
  
   class Derived : public Base{
     public :
           int data3;
           static int data4;
     public :
  
           void fun2();
           void fun3(int);
  
           void fun5();
           void fun6(int);
           void fun8();
           static void fun9();
   };
  
   class solo {
     private:
           int data0;
     public :
           int data1;
  
   };
   Base类的类函数Table（由于有虚函数，所有也叫VTable）：
  
   Base::fun1 Base::fun2 Base::fun3 Base::fun4 Base::fun5 Base::fun6
  
   Derived类的类函数Table（由于有虚函数，所有也叫VTable）：
  
   Base::fun1 Derived::fun2 Derived::fun3 Base::fun4 Derived::fun5 Derived::fun6 Derived::fun8

  static函数存储于程序静态存储区，所以独立于类的类函数Table；

  派生类的Table直接复制自基类的Table，并将自己定义的函数添加到Table的末尾(如fun8)，如果有同名函数则直接进行覆盖（这里不管是否参数列表相同，也不管是否为virtual函数，如fun2和fun5，fun3和fun6）

  Base类的类实例内存结构：
  VT_Ptr1 data0 data1

  Derived类的类实例内存结构：

  VT_Ptr2 data0 data1 data3

  static成员数据存储于程序静态存储区，所以独立于类的实例内存；

  派生类的类实例包含所有基类的数据成员；并且不会覆盖重名的成员数据，而只是简单的追加

  VT_Ptr1表示指向Base类在内存中的类函数Table的指针；VT_Ptr2表示指向指向Derived类在内存中的类函数Table的指针；仅仅virtual函数才是动态动态调用，其他函数则是静态绑定

虚拟继承和虚基类：用于避免多继承环境中的二义性和内存使用效率

• 问题：当B和C拥有共同的基类A，同时D同时继承B和C，这样当D调用A中的方法时产生二义性（不知道选择B继承路线还是C继承路线，在D的内存数据中有两份A的类数据），其实问题在于B和C各自拥有一份A基类的内存拷贝，不仅有二义性且内存耗用大

   class Top {};
   class Left : virtual public Top {};
   class Right : virtual public Top {};
   class Bottom : public Left, public Right {};

  

  Bottom* b=new Bottom(); b指向Left::Top::a；

  Left* bl=b;bl指向Left::Top::a；但是当Right* br=b;时，br需要指向Right::Top::a才逻辑正确，需要手动进行偏移；

  当Top* bt=b;时，编译不通过，产生歧义。
   

• 虚继承中，每个类实例中仍旧有4bytes的指针指向虚函数表，并且Derived3的实例中有两个4bytes的VT指针；

  解决：class B: virtual A{}; class C: virtual A{};这样的定义使得内存中A基类仅有一份数据，所以的子类都使用同一份拷贝