data语意学

引例：

class X{};

class Y:public virtual X{};

class Z:public virtual X{};

class A:public Y,public Z{};

X Y Z A类对象的大小是多少？？ 

1> 没有提供empty virtual base特殊支持的编译器：1 8 8 12

2> 提供了empty virtual base特殊支持的编译器：1 4 4 8

 

    一个class的data members,一般而言，可以表现这个class在程序执行时的某种状态。

    nonstatic data members放置的是“个别的class object”感兴趣的数据。 C++对象模型把nonstatic data members直接放置在每一个class object之中，对于继承而来的nonstatic data members也是如此。

    static data members则放置的是“整个class”感兴趣的数据。C++对象模型则把static data members,则放置在程序的一个global data segment中，不会影响个别class object的大小。

    每一个class object因此必须有足够的大小容纳它所有的nonstatic data members。但有时候，它可能比想象的还大，原因是：

1> 由编译器自动加上的额外data members,用以支持某种语言特性（主要是各种virtual特性-虚函数、虚基类​）

2> 因为alignment（字节对其调整）

一 Data member的存取

static data member

1 static data member被编译器提出class之外，视为一个global变量（但只在class声明范围之内可见）。

2 若取一个static data member的地址，会得到一个指向其数据类型的指针，而不是一个指向其class member的指针。

如：&Point3d::chunkSize;   获得的内存地址是 int *

3 每一个static data member只有一个实体，存放在程序的data segment之中，每次程序取用static member,就会被内部转化为对唯一的extern实体的直接取用操作。如：

//origin.chunkSize=250;

Point3d::chunkSize=250;

//pt->chunkSize=250;

Point3d::chunkSize=250;

注：这（静态数据成员）是c++语言中"通过一个指针和通过一个对象来存取member,结论完全相同"的唯一一种情况。

4 如果多个class，都声明了一个相同的static data member，那么当他们被放在程序的data segment时，就会导致命名冲突。编译会暗中对每一个static data member编码（即：name-mangling）以获得一个独一无二的程序识别码。

nonstatic data members

1 nonstatic data members直接存放在每一个class object之中，除非经由明确（explicit）或隐式的（implicit）class object，没有办法直接存取他们。

2 只要程序员在一个member function中直接处理一个nonstatic data member，所谓“implicit class object”(即：this指针)就会发生。

3 欲对一个nonstatic data member进行存取操作，编译器需要把class object的起始地址加上data member的偏移量。每一个nonstatic data member的偏移量offset在编译时期即可获得。（因此，存取一个nonstatic data member的效率和存取一个C struct member或一个nonderived class的member是一样的）
4 取一个nonstatic data member的地址，将会得到它在class中的偏移量（offset）；取一个绑定于真正class object身上的data member的地址，将会得到该member在内存中的真正地址。

二 “继承”与data member

    在c++继承模型中，一个derived class object所表现出来的东西，是其自己的members加上其base calss members的总和。在大部分编译器中，base class members总是先出现，但属于virtual base class的除外。

    derived class object中数据成员的布局与继承、virtual function、virtual base等情况有关。下面分几种情况进行讨论：

1 无继承、无virtual function

    这种情况和C struct完全一样。如下图：

         

 

2 只要继承不要多态（单一继承、不含virtual function）

    一般而言，具体继承并不会增加空间或存取时间上的额外负担。

    这样设计的好处是可以把管理x和y坐标的程序代码局部化。此外这个设计可以明显表现出两个抽象类之间的紧密关系。

    但这样设计，容易犯两类错误：

    1> 经验不足的人可能会重复设计一些相同的函数。

    2> 把一个class分解成两层或更多层，有可能会为了“表现class体系之抽象化”而膨胀所需要空间。c++语言保证“出现在derived class 中的base class subobject有其完整原样性”。举一个例子：

 

              具体类                                               分裂为三层结构

    为了保证"出现在derived class 中的base class subobject有其完整原样性"，三层结构可能的布局如图所示：

    然而，如果C++语言把derived class members(也就是concrete2::bit2或concrete3::bit3)和concrete1 subobject捆绑在一起，去掉填补空间，则在如下图语义中，base class subobject的完整原样性就无法保证（但是gcc却采用的正在用方式）：

3 单一继承加多态（即：含有虚函数）

    如果我们要处理一个坐标点，而不打算在乎它是一个point2d或point3d实例（也就是我们企图以多态的方式处理2d或3d坐标点），那么我们要在继承关系中提供一个virtual function接口。为了支持这样的特性，势必会给我们的Point2d class带来空间和存取时间上的额外负担：

1> 导入一个和Point2d有关的virtual table，用来存放它所声明的每一个virtual functions的地址。

2> 在每一个class object中导入一个vptr，提供执行期链接，是每一个object能找到相应的virtual table。

3> 加强版constructor，使它能够为vptr设定初值，让它指向class所对应的virtual table。

4> 加强版destructor,使它能够抹消"指向class之相关virtual table"的vptr。

    加上多态后，对于每一个对象在空间上的负担就是多了一个vptr指针的空间（通常是一个word，4byte）。然而这个vptr放在类对象的什么位置最好？有两种主流设计：一种放在前端；一种放在尾端。

cfront编译器放在class object的尾端（好处：可以保证base class c struct的对象布局）：

    到了c++2.0后，某些编译器（gcc 和 vc6.0都是这样的）开始把vptr放到class object的前端。（好处是与class vptr之间的offset不需要专门准备；缺点是丧失了c语言的兼容性）。

    单一继承加多态后的对象布局（vptr放在尾端的情况）：

 

4 多重继承

    单一继承提供了一种自然多态。base class和derived class的objects都是从相同的地址开始的，其差异只在于derived object（可能）比较大。把一个derived class object指定给base class（不管继承深度有多深）的指针或引用，该操作并不需要编译器去调停或修改地址。它很自然的可以发生，而且提供了最佳执行效率。

    多重继承既不像单一继承，也不容塑造出其模型：

1> 多重继承的复杂度在于derived class和其第二个或后继base class之间的非自然关系。

2> 多重继承的问题主要在与derived class和其第二个或后继base class objects之间的转换：

① 对一个多重派生对象，将其地址指定给“最左端base class的指针”，情况和单一继承时相同。(二者指向相同的地址，只需地址指定操作而已)。

② 至于第二个或后继的base class的地址指定操作，则需要将地址修改，加上（或减去）介于中间的base class subobjects大小。

实例：

Vertex3d v3d;

Vertex *pv;

Point2d *p2d;

Point3d *p3d;

1> pv=&v3d；//被转化为：

pv=(Vertex *)(((char*)&v3d)+sizeof(Point3d));

2> 而下面的指定操作：

p2d=&v3d;

p3d=&v3d;

都只需要简单拷贝其地址就行了。

3> c++标准并没有要求Vertex3d中base class Point3d和Vertex有特定的排列次序。但现在大多数编译器还是想cfront那样根据声明次序排列他们。

4> members的位置在编译时就固定了，所以存取第二个（或后继）base class中的一个data member不需要额外的成本，只是一个简单的offset运算，就像单一继承一样简单-不管是经由一个指针、一个reference或是一个object来存取。

5 虚拟继承

    多重继承的一个语意上的副作用就是，它必须支持某种形式的“shared subobject继承”。在语言层面的解决办法是导入所谓的虚拟继承。

    一般的实现方法如下所述：class如果内含一个或多个virtual base class subobjects，像istream那样，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，不管如何衍变，总是拥有固定的offset，所以这部分可以直接存取；至于共享局部，所表现的就是virtual base class subobject，这一部分的数据，其位置会因为每次的派生操作而有变化。所以它们只可以间接存取。

    一般的布局策略是先安排好derived class的不变部分，然后再建立其共享部分。然而如何存取class的共享不放呢？

    cfront编译器会在每一个derived class object中安插一些指针，每个指针指向一个virtual base class。要存取继承得来的virtual base class members,可以使用相关指针间接完成。然而还存在如下优化：

1> 理想上我们希望class object有固定的负担。所以每一个对象不应该针对每一个virtual base class背负一个额外的指针（这样负担会导致随虚基类的数目变化而变化）。解决方案：

①Microsoft编译器：引入所谓的virtual base class stable。每一个class object如果有一个或多个virtual base classes就会有编译器安插一个指针，指向virtual base class stable。至于真正的virtual base class指针被放置在virtual base class stable中。

②在virtual function table中放置virtual base class的offset（而不是地址）。

2> 理想上我们希望有固定的存取时间。解决方案：

大部分编译器是经由拷贝操作取的所有的nested virtual base class指针，放到derived class object之中。

 

对象布局：

 

1 以指针指向base class的实现模型

2 使用virtual table offset strategy所产生的数据布局