1、 Data Member 的布局

  • 同一个Access Section(private, public等)中,data member的顺序按照声明顺序排列,但是没有规定需要连续排序。同时编译器可能会安插一些内部的data member(比如vptr),用来支持整个对象模型。
  • 不同Access Section中,member的排列顺序由编译器决定。

2、Data Member 的存取

  每一个member 的存取许可(private public protected),以及与class的关联,并不会导致任何空间上或执行时间上的额外负担——不论是在个别的class objects 或是在static data member 本身。

class X {};    //空虚基类          sizeof(X) = 1
class A: public virtual X {}; //sizeof(A) = 8
class B: public virtual X {}; //sizeof(B) = 8
class C: public A, public B {}; //sizeof(C) = 12

  -X是空基类,需要安插一个char,使得class的两个objects在内存上拥有唯一的地址; 
  -Size(A) = 4(为了支持virtual base class而额外增加的指针) + 1(base class本身) + 3(Alignment对齐) = 8 
  -Size(C) = 4(A) + 4(B) + 1(X,虚拟继承被A/B所共享) + 3(对齐) = 12

  static data members

  直接存放于Data Segment,拥有唯一实体,不存在于class object中;
  如果两个class声明了同名static members,编译器会对class中static data member名字进行修饰,使其独一无二;
  对static data member取址,得到该member数据类型指针;nonstatic data member取址将得到该member在类中偏移。

nonstatic data members
  欲对一个nonstatic data member 进行存取操作,编译器需要吧class object的起始地址加上data member的偏移量(在编译事情就可以获知)。

class A {public: int x; int y;};
A a;
a.y = ; //&a.y = &a + &A::y

3、继承与Data Member

  3.1 只要继承不要多态

  base class subobject会在derived class中保持原样。 这种情况并不会增加空间或存储时间上的额外负担。这种情况base class和derived class的objects都是从相同的地址开始,其差异只在于derived object 比较大,用以容纳自建的nonstatic data members,把一个derived class object指定给base class 的指针或引用,并不需要编译器去调停或修改地址,它很滋润的可以发生,而且提供了最佳执行效率。

  3.2 加上多态

  这种情况会带来空间和存取时间的额外负担:

  1.导入一个virtual table ,用来存储它所声明的每一个virtual functions的地址。

  2.在每一个class object中导入一个vptr,提供执行期的链接,使每一个object能够找到相应的virtual table。

  3.加强constructor,使它能够为vptr设定初始值,让它指向class 所对应的virtual table 。

  4.加强destructor,使它能够消抹“指向class 相关virtual table”的vptr。

  3.3 多重继承

  对于一个多重派生对象,将其地址指定给“最左端(第一个)base class的指针”,情况和单一继承时相同,因为二者都指向了相同的起始地址,至于第二个或后面的base class 的地址指定操作,则需要将地址修改过:加上(或减去,如果是downcast)介于中间的base class subobject(s)的大小。
  如果要存取第二个(或后面)的base class 中的一个data member ,不需要付出额外的成本,因为members的位置在编译时就固定了,因此存取member只是一个简单的offset的运算。
  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 。

  

  

  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。

  3.4 虚拟继承

  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 class subobjects, 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

  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。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。

  总结:多继承,单继承都不会导致访问时间的增加,但是虚拟基类由于使用间接访问技术,会导致访问时间的增加。

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