【C++对象模型】第一章关于对象

1、C/C++区别

　　C++较之C的最大区别，无疑在于面向对象，C程序中程序性地使用全局数据。而C++采用ADT（abstract data tpye）或class hierarchy的数据封装。类相较于C的struct不仅只包含了数据，同时还包括了对于数据的操作。在语言层面上C++带来了很多面向对象的新特性，类、继承、多态等等。新特性使得C++更加强大，但同时却伴随着空间布局和存取时间的额外成本。这些额外成本主要由 virtual引起，包括：

virtual function 机制，用来支持“执行期绑定”。
virtual base class ——虚基类机制，以实现共享虚基类的 subobject。

除此之外C++没有太多理由比C迟缓。

2、C++对象模式

　　C++中有两种class data members：static、nostatic，以及三种class member functions：static、nonstatic 和virtual。

nonstatic data members被配置于每一个class object之内；
static data members则被存在在所有calss object之外；
static和 non static function members也被放在所有class object之外。

　　virtual function则以两个步骤支持：

　　（1）virtual table（vtbl）：每个class 产生出一堆指向virtual functions的指针，放在该表格内。

　　（2）vptr：每个class object 被添加一个指向相关virtual table的指针。vptr的设定和重置都由每个class 的constructor、destructor和copy assignment运算符自动完成。每个class所相关的type_info object（用以支持runtime type identification）也经由virtual table被指出来，通常放在表格第一个slot处。

#include <iostream>
using namespace std;  
 
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;
};

可以发现：

　　（1）float _x;被放在class Point之内。

　　（2）static int _point_count; Point (float xval); float x() const;static int PointCount();不在class Point之内，即放在所有class object外面。

　　（3）virtual table有两项，表示 virtual ~Point();virtual ostream& print(ostream &os) const;

　　（4）VS编译器添加了指向相关virtual table的指针vfptr放在class object中，位置在data members的前面。

3、继承

　　C++继承包括了单一继承、多重继承、虚继承三种继承。

3.1 可能的模型：

　　（1）简单对象模型：derived class object（派生类）内的一个slot指出每一个base class （该slot内含base class subobject的地址）。优点是derived class object的大小不会因base classes的改变而受到影响。缺点是因为间接性而导致空间和存取时间上的额外负担。

　　（2）base table模型：很像virtual table 内含每一个virtual function的地址，base class table的每一个slot含有一个相关的base class地址。每一个class object内含有一个bptr，被初始化后指向其base class table。

不管采用那种模型，“间接性”的级数都将因为继承的深度而增加。

　　3.2 单一继承、多重继承

C++最初采用的继承模型并不运用任何间接性：即base class subobject的data members被直接放在derived class object中。这（直接复制模型）提供了对base class 最紧凑而最有效率的存取。缺点是base class members的任何改变后，所有用到此base class或其derived class的objects者必须重新编译。

　　3.3 虚继承

那么对于C++2.0新加入的virtual base class呢？

需要一些间接性的base class表现方法。其原始模型是在class object中为每一个有关联的virtual base class 加上一个指针。其他演化的模型则若不是导入一个virtual base class table，就是扩充原来已经存在的virtual table，以便维护每一个virtual base class的位置。

　　总结：

对于单一继承、多重继承采用直接复制模型，对于虚继承则（在直接复制模型的基础上）选择两种间接性模型之一。

那么VS编译器选择哪种继承模型呢？

答案是：virtual base class table模型

　　注：在虚继承的情况下，base class不管在继承串链中被派生多少次，永远只会存在一个实体（subobject）。

4、对象的差异

　　4.1 编程范式：

C++程序设计模型直接支持三种programming paradigms（编程范式）：

　　（1）程序模型（procedural model）：与C一致；

　　（2）抽象数据类型（abstract data type model，ADT）：抽象数据类型是与表示无关的数据类型，是一个数据模型及定义在该模型上的一组运算；其处理的是一个拥有固定而单一的类型的实体，在编译时期就已经完全定义好了。

　　（3）面向对象模型（object-oriented model）：在此模型中有些彼此相关的类型，通过一个抽象的base class（用以提供公共接口）被封装起来。原则上，被指定的object的真实类型在每一个特定执行点之前无法解析。在C++中，只有通过pointer和reference才能够完成。

在需要多态时，对一个base class object，只有通过pointer或reference的间接处理，才支持OO程序设计所需的多态性质。

　　4.2 C++支持多态的方法：

　　（1）经由一组隐含的转换操作。

　　（2）经由virtual function机制。

　　（3）经由dynamic_cast和typeid运算符。

　　4.3 多态的主要用途：

经由一个共同的接口来影响类型的封装，这个接口通常被定义在一个抽象的base class中。这个共享接口是以virtual function机制引发的，它可以在执行期根据object的真正类型解析到底是哪一个函数实体被调用。

5、类内存大小计算方法

　　5.1 一个类的对象的内存大小包括：

所有非静态数据成员的大小。
由内存对齐而填补的内存大小。
为了支持virtual有内部产生的额外负担

如下：

class ZooAnimal {
public:
   ZooAnimal();
   virtual ~ZooAnimal();
   virtual void rotate();
protected:
   int loc;
   String name;
};

　　在32位计算机上所占内存为16字节：int四字节，String8字节（一个表示长度的整形，一个指向字符串的指针），以及一个指向虚函数表的指针vptr。对于继承类则为基类的内存大小加上本身数据成员的大小。在cfront中其内存布局如下图：