深度探索C++对象模型——关于对象

引言

　　以前读《C++ Primer》的时候一直有一种感觉：该书虽然是C++入门书籍，初学者读之却觉晦涩，越往后读越是如此。等到稍加理解后再读该书，顿感醍醐灌顶，茅塞顿开。究其原因，在于原作者Stanley Lippman总是会有意无意地从编译器的角度来介绍语言的细节：对新手而言，哪里会去关注这样底层的实现呢？

　　当读到《Inside The C++ Object Model》时，上述感觉愈发强烈，两书之间渐进讲述的细节让人读后大呼过瘾，也深感大师级作者笔触间的睿智。

　　众所周知，C++是一门支持多范式的语言（《Effective C++》Item1），其中最为重要，对C语言最大的变革便是面向对象的设计思想。而本书，依其简介，探索“对象导向程序所支持的C++对象模型”下的程序行为。对于“对象导向性质之基础实现技术”以及“各种性质背后的隐含利益交换”提供一个清楚的认识。检验由程序变形所带来的效率冲击。提供对象导向观念和底层对象模型之间的效率测量。

关于对象

　　从C语言转化到C++时，一个显而易见的区别在于从全局数据过渡到数据封装，那么其布局成本（Layout Costs）如何？答案是并未增加。本文后续将讲述C++在布局以及存取时间上主要的额外负担是由virtual引起，包括：

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

　　此外还有一些多重继承的额外负担，除此，C++毫无理由比C慢。

C++对象模式

　　类的成员包括类数据成员（静态和非静态）和类成员函数（静态，非静态和虚函数）。

　　考虑如下简单对象模型：

　　我们看到，成员本身并不在对象里，只有指向对象的指针才在，如此可以避免成员因类型不同而导致存储空间不同。显然，成员以每个slot的索引值来寻址。

　　考虑表格驱动对象模型（见上中图1.2）：

　　该方案中，把所有成员分离放在数据成员表和成员函数表两个表中。类对象则含有指向这两个表的指针。

　　遗憾的是，以上两种方案都没有真正应用于C++编译器中，但它们的设计思想，或多或少被有所继承。

　　来看C++对象模型的实现（见上右图1.3）：

　　在该模型中，非静态数据成员放在类对象中，静态数据成员则放在类对象外；静态和非静态函数成员也放在类对象外；虚函数以下步骤支持：

• 用一个虚函数表（VTBL）记录指向虚函数的指针；
• 类对象则以一个指针（VPTR）指向虚函数表，vptr操纵由类的复制控制完成。
• 类所关联的type_info object由虚函数表指出，位于第一个slot处。

　　该模型的优点在于空间和存取时间的效率，主要缺点在于非静态数据成员修改时必须重新编译。

加上继承

　　在虚拟继承的情况下，基类不管被派生多少次，都只有一个实体（subobject）。C++最初的继承模型不运用任何间接性：基类实体的数据成员被直接放在派生类对象中。后来又引入虚基类，则通过一些间接的基类表现方法。具体实现本文不做阐述，留待后续博文。

对象的差异

　　C++程序设计模型直接支持三种程序设计典范：

　　1.程序模型：即来自C语言的部分；

　　2.抽象数据类型模型：即封装与抽象；

　　3.面向对象模型：定义基类并派生出子类。

　　记住，纯粹以一种典范写程序，有利于整体行为的良好稳固。

多态

　　C++以下列方法支持多态:

　　1.隐含的转化操作：把派生类的引用/指针转化为基类的引用/指针；

　　2.虚函数机制：动态绑定；

　　3.dynamic_cast和typeid运算符。

　　那么，需要多少内存才能表现一个类对象呢？

• 其非静态数据成员的总和大小；
• 加上由译注的需求而填补上去的空间；
• 加上为了支持virtual而产生的负担（例如：指向虚函数表的指针的大小）。