inside the C++ Object model总结

一. 关于对象

1.内联函数：能够除去函数调用的开支，每一处内联函数的调用都是代码的复制。这是一种空间换取时间的做法，若函数代码量大或者有循环的情况下，不宜内联（这件事有些编译器会自动帮你做）。在类中若直接将函数实现写在类体内，默认内联。如果函数因其复杂度或构建等问题被判断为不能成为inline函数，它将被转化为一个static函数。如果一个inline函数被调用太多次的话，会产生大量的扩展码，使程序大小暴涨。

2.C++对象模型：

3.组合，而非继承是把C和C++结合的唯一可行方法。

4.C++程序的三种程序设计范式：

（1）procedural model，即C语言的模式

（2）ADT model，即所谓的封装，将属性与方法封装在一起

（3）object-oriented model，支持继承、多态（只有通过指针或引用来使用，往往只有到执行期才知道指向哪种object）。

5.class object所占内存计算：

nonstatic data member总和+aligment填补（32位机器为4）+支持虚拟机制产生的额外内存（如果有的话）

这里需要说明一下支持虚拟机制产生的额外内存，一般含有虚函数的类会产生一个指向虚拟表的指针（vptr），所以会增加4byte的内存。对于虚拟继承来讲，所有父类的virtual table指针全部被保留。举例说明：

 class point
 {
 public:
     virtual void show(){};
 protected:
     int _x,_y;
 };

sizeof结果为：12

 class point3d : public  point
 {
3  protected:
     int _z;
 };

sizeof结果为：16

 class point3d : virtual public  point
 {
 protected:
     int _z;
 };

 class vertex : virtual public  point
 {
 protected:
     vertex* next;
 };

这两个类的size均为20

 class vertex3d : public  point3d,public vertex
 {
 protected:
     int a;
 };

sizeof结果为32，包括5个4byte的变量，和三个父类虚函数指针。

 二.构造函数语意学

1.在编译需要的时候，编译器为自动生成default constructor，若类已有constructor，编译器会将必要的代码安插进去（安插在user code之前）。有些类没有声明constructor，会有一个default constructor被隐式声明出来（所以在用户申明了构造函数的情况下，并不会有default 构造函数被合成），但声明出来的将是一个trivial constructor（并不会被编译器合成），除非是在必要的情况下，一个nontrivial constructor才会被编译器合成，包括以下几种情况：

（1）带有Default constructor的Member Class Object。即某一个成员含有构造函数，假设类A的对象是类B的成员变量，若B包含有多个构造函数，均没有调用A的构造函数，则B的每个构造函数将由编译器安插调用A的构造函数的代码。

（2）带有Default constructor的base Class。与上面类似，但需要注意：调用base class的constructor优先于member class的constructor。

（3）带有virtual function的class。constructor要负责生成并初始化指向虚函数表的指针vptr。

（4）带有virtual base class 的class。不同的编译器对虚基类的处理不同，但是总是会产生一个指针去实现虚拟机制，MSVC将虚函数表与虚基类表合并，均使用指针vpt寻址。

2.在用户没有定义拷贝构造函数的情况下，默认采用memberwise初始化，即逐成员初始化，并进行位逐次拷贝。但在一些情况下，一个nontrivial的拷贝构造函数将被合成：

（1）类的member class object声明了一个copy constructor

（2）类的base class 声明了一个copy constructor

（3）类声明了虚函数

（4）类的继承串链中包含虚拟继承。

以（3）举例，A中声明了一个虚函数，B是A的子类，现进行如下操作B b;A a=b;此时A会合成一个nontrivial copy constructor显示设定a的vptr指向类A的虚函数表，而不是直接把B的虚函数表指针拷贝过来。

如果您声明的类的成员变量包含指针，请务必声明一个copy constructor！！！！

3.关于程序的转化：

（1）显式的copy初始化操作会转化为两阶段，如：X x1（x0）会被编译器转化为两个阶段 1.定义，即占内存：X x1 2.调用拷贝构造函数x1.X::X(x0)

（2）函数参数的初始化，一种最常用的策略便是会形成一个临时变量来存储传进来的参数，函数结束后被销毁。如果函数的形参是引用或指针，则不会这样咯。

（3）函数返回值的初始化，还是会形成一个临时变量，例如：函数X foo(){X xx;....; return xx }会被转化为：void foo(X & _result){X xx;....;_result.X::X(xx);return;},因此在程序员写下X xx=foo();将被转化为：X xx; foo(xx); 这就是所谓的具名优化(NRV优化)，如果你的声明包含copy constructor，就很可能被具名优化，当然只是很可能，到底优化没有还得看编译器，因为你根本不知道编译器会干些什么！！

4.必须使用成员初始化队伍初始化的情况：

（1）初始化一个reference member时。

（2）初始化一个const member时

（3）调用一个base class的constructor时

（4）调用一个member class的constructor时

需要说明的是：成员初始化队伍的初始化方法比在构造函数里面复制效率要高一点，因此应该多用哦！举例说明：

class man{public: man(){_name =0;_age=0;};priavte: string _name;int _age;}其构造函数中的赋值由于=的存在，必须产生一个临时变量，此时构造函数会被转化为：man(){_name.string::string();//占内存咯   string temp=String(0); _name.string::operator=(temp); temp.string::~string(); _age=0; } 临时变量的产生与析构将拉低效率。而若以初始化队伍初始化，即man():_name(0),_age(0){}将被转化为：man(){_name.string::string(0);_age=0; }哪个快显而易见吧？经自己实验测试确实是快了一点，但是仍然在一个数量级

但是这里有一点需要注意，在成员初始化队伍中。初始化的顺序并不是按照这个list的顺序，而是按照类里面成员声明的顺序，例如：class x{int i;int j; X (int val):j(val),i(j){};},这段代码会出现异常，因为i会比j先初始化，而此时j还没有被初始化，所以i(j)肯定会异常咯。但是如果这样就对了：class x{int i;int j; X (int val):j(val){i=j};},因为编译器会把初始化队伍的代码放在explicit user code之前。

对象在使用前初始化是个好习惯，尤其是在对象有大量成员变量的情况下。

 三.Data语意学

1.一个空类的声明将占1个字节的内存，使得整个class的不同object得以在内存中配置独一无二的地址。但是当你在这个空类中声明一个非静态成员变量时（比如int _a），不同的编译器会产生不同的效果，一般情况下类会变成4字节，因为原来的那1字节已经不需要了，但是有的编译器会保留那1字节，这样有用的字节数就为5字节，再加上32机器的补全（alignment机制），这个类将有8个字节。

2.将类的函数放在类体外中定义，对函数本体的分析会在整个class声明都出现后才开始，因此这是一个良好的习惯咯。

3.关于Data member的布局：

（1）Nonstatic data member在class object中的顺序将和被声明的数据顺序一样。即同一access section（如：private、protected等）较晚出现的member在class object中有较高的地址，但是各个members之间并不一定是连续排列的，因为members的边界调整（alignment）可能就需要填补一些byte。举个栗子：class test{char _a;int _b; char _c;}   sizeof的结果是12，没错确实不是8，是12！！！！！！

（2）C++标准虽然也允许多个access section之中的data members自由排列，但目前各家编译器都是将一个以上的access sections连锁在一起，依照声明的顺序成为一个连续的区块，因为这样毕竟效率高嘛。

（3）编译器产生的vptr将被允许安插在对象的任何位置，但是大部分编译器还是将其安插在所有显式声明的成员变量之后，但也有放最前面的。

4.关于data member的存取：

（1）对于静态成员变量，通过对象的指针和对象存取是完全相同的。因为static成员比昂两并不存在类内，而是放在程序的data segment。如果出现两个不同的类声明了相同名字的static member，那它们都被放在data segment中会导致命名冲突，编译器的解决方法是对每一个static member进行name-mangling，使之名字唯一。（name-mangling还会在函数重载中用到）

（2）对于非静态成员函数，其直接存取效率和存取一个C struct一样。但是需要注意如果某个类继承自抽象类（包含虚函数），那么如果用指针存取就会降低效率，因为一直到执行其才能知道父类的指针到底指向的是子类还是父类，因此这种间接性会降低效率。同理虚拟继承时，当子类要存取父类的成员变量时，由于间接性的原因通过对象或指针存取都将降低效率。

5.继承条件下的data member分布：

（1）单一继承：很简单

（2）关于继承链产生alignment的情况：

对于以下三个类：class concrete1{int val;char bit1}; class concrete2:public concrete1 {char bit2}; class concrete3:public concrete2 {char bit3} ;

concrete1所占内存为8，concrete2为12，concrete3为16.

（3）抽象类（包含虚函数）作为父类的单一继承内存分布：

（4）抽象类（包含虚函数）作为父类的多重继承内存分布，如：

其内存分布应如下：两个虚表指针都保存。

（5）虚拟继承下的内存分布：

其内存布局如下有2种策略：

a.每个类除了虚表指针外，再添加一个虚基类指针，以指向自己的虚基类，如：（cfront）

b.扩展虚函数表，也将虚基类的指针存进来。一般的存取策略是：若offset为正存取的是虚函数地址，为负存取的是虚基类地址：

四.Function语意学

1.关于不同成员函数的调用方式：

（1）非静态成员函数，编译器内部会将成员函数实例转换为对等的nonmember函数实例。其过程如下：

a.改写函数原型，提供额外的参数（即指向对象的this指针），如类point的方法 point point::foo();会被转化为point point::foo(point * const this);

b.若函数体内有对对象成员变量的操作，全部替换为带this指针的操作。如函数体内若将两个成员变量相加，_x+_y会被转化为this->_x+this->_y;

c.对程序进行name-mangling处理（前面三.4.（1）页提到过），使函数成为整个程序中唯一的词汇，如：foo_6pointFv(point * const this);注意：这里可以想到重载的函数经过mangling之后名字就不一样了，所以调用起来没问题。

而对象对此函数的调用会由obj.foo()转化为foo_6pointFv(&obj)

（2）虚拟成员函数通过虚拟表存取。这就是C++多态的实现途径，以一个public base class指针寻址出一个derived class object。

a.单一继承下virtual function的布局：

当某个父类的指针调用虚函数时，虽然我们并不知道父类指针指向的究竟是什么（可能是父类对象也可能是子类对象），但通过vptr可以去到该对象的virtual table，而每个函数在virtual table中的顺序是固定的，恩，多态就是这么实现的。

b.多重继承下的virual table布局：

于是，当你将一个子类的地址赋予一个Base1类的指针或子类指针，被处理的virtual table是图中的第一个表格，当你讲一个子类赋予一个Base2类的指针时，被处理的virtual table是图中第二个表格。

有三种情况下第二个基类会影响对virtual function的支持：

• 指向第二个基类的指针调用子类的函数：如Base2 *ptr = new Derived();delete ptr;后面这一句要调用虚析构函数，因此ptr需移动sizeof(Base1)个byte。（即从base2 subobject开头处移动到derived对象的开头处）
• 指向子类的指针调用第二个base class中继承而来的虚函数：如 Derived *pder=new Derived(); pder->mumble();从图上看到mumble()函数是第二个基类的虚函数，为了能调用它，需将pder移动sizeof(Base1)个byte。（即从derived对象的开头处移动到base2 subobject开头处）
• 函数的返回值如果是Base2指针：如Base2 *pb1= new Derived; Base2 * pb2=pb1->clone(); pb1->clone()会传回一个指向子类对象起始位置的指针，该对象地址在赋予pb2之前会经过调整以指向base2指针。

（3）static成员函数具有以下特性：

a.不能直接存取其class类的非静态成员变量。

b.不能被声明为const、volatile或virtual

c.不需非得经由class obj调用。

五.进一步深入构造、析构、拷贝语意学

1.类的对象是可以经由explicit initialization list初始化的，如class point {point(){};public:float _x,_y,_z;},point local = {1.0,1.0,1.0}; 虽然这样效率高一点，但是这样做有条件：只有在class member是常量的情况下奏效；list里面只能是常量；初始化失败可能性很高呢。如果在某些程序中，可能需要将大量的常量数据倾倒给程序，可以考虑此法。

2.constructor的执行算法通常如下：

（1）所有virtual base class和上一层base class的constructor被调用

（2）对象的vptr(s)初始化，指向相关类的虚表。

（3）如果有member initialization list的话，将他们在constructor体内扩展开。

（4）最后调用程序员自己的代码。

3.不准将一个class object复制给另一个class object的方法：将copy assignment operator（即=）设为private。

4.如果类没有定义析构函数，那么只有在类内含member object或类的父类拥有析构函数的情况下编译器才会自动合成一个来，否则析构函数被视为不需要，也就不用被合成和调用。

5.C++之父强调：“你应该拒绝那种被我陈伟’对称策略‘的奇怪想法：你已经定义了一个constructor，所以你以为提供一个destructor也是天经地义的事情，事实上，你应该根据需要而非感觉定义析构函数！”。

6.在C++程序设计中，将所有的object声明放在函数或某个区段的起始处完全是个陋习！因为首先出现在函数起始处的应该是各种各样的检查，检查如果不符合就会跳出函数，那你声明的变量不是白声明了。

六.执行期语意学

1.全局对象，C++所有的全局对象都被放置在程序的data segment中，如果显式地给了它一个值，这便是全局变量的初值，否则设初值为0。C++保证一定会在main()函数第一次使用全局变量前将它构造出来。

2.动态初始化与静态初始化：一般而言，局部变量是在程序运行到某处后再栈中申请分配地址，这就是动态初始化。而全局变量或静态变量在程序开始的时候就分配好了地址，可以让程序放心使用，这就叫静态初始化。

3.new运算符是以标准的malloc()完成的，delete运算总是以标准的C free()完成的。

4.如果你new了一个对象数组，如point * ptr=new point[10];则删除必须要delete [] ptr;如果delete ptr;那将只有一个元素被析构。

5.T c=a+b;总是比 c=a+b有效率一些，因为后者总会产生临时变量来存放a+b的结果。而编译器厂商一般都会实现T opratior+ (const T&,const T&),这样就不会产生临时对象。