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深度探索C++对象模型:三种对象模型

2016-07-04  本文已影响187人  单刀土豆

引言

现在有一个Point类,声明如下:

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;
};

这个类在机器上是通过什么模型来表示的呢?下面就介绍三种不同的实现方式。转载请注明出处:单刀土豆

1. 简单对象模型

简单对象模型名副其实,十分简单。在简单对象模型中,一个 object是由一系列slots组成,每个slot相当于一个指针,指向一个membermemebers按照声明的顺序与slots一一对应,这里的members包括data membersfunction members。如果将简单对象模型应用在Point Class上,结构图如下:

1.png

2. 表格驱动对象模型

表格驱动对象模型将member datamember function分别映射成两个表格member data tablefunction member table,而object本身只存储指向这两个表格的指针。 �其中function member table是由一系列的slot组成,每个slot指向一个member function; member data table则直接存储的member data本身。如果将表格驱动对象模型应用在Point Class上,结构图如下:

2.png

3. C++ 对象模型

Stroustrup 早期设计的C++对象模型是从简单对象模型改进而来的,并对内存空间和存取时间进行了优化。主要是将nonstatic data members存储在每一个object中,而static data members以及所有的function members被独立存储在所有object之外。对虚函数的支持主要通过以下几点完成的:

如果将C++对象模型应用在Point Class上,结构图如下:

3.png

在加上继承情况下的对象模型

C++支持单继承、多继承、虚继承,下面来看下base class实体在derived class中是如何被构建的。

简单对象模型中可以通过derived class object中的一个slot来存储base class subobject的地址,这样就可以通过该slot来访问base class的成员。这种实现方式的主要缺点是:因为间接性的存储而导致空间和存取时间上存在额外负担;优点是:derived class的结构不会因为base class的改变而改变。

表格驱动对象模型中可以利用一个类似base class table的表格来存储所有基类的信息。该表格中存储一系列slot,每个slot存储一个base class的地址。这种实现方式的缺点是:因为间接性的存储而导致空间和存取时间上存在额外负担;优点是:一是所有继承的class都有一致的表现形式(包含一个base table指针,指向基类表)与基类的大小和数目没有关系,二是base class table增加了子类的扩展性,当基类发生改变时,可以通过扩展、缩小或者更改base class table来进行调整。
以上两种实现方式都存在一个重要的问题,就是由于间接性而导致的空间和时间上的额外负担,并且该间接性的级数会随着继承的深度而增加。

C++ 最初采用的继承模型并不采用任何间接性,所有基类的数据直接存储在子类当中,这样在存储结构和访问效率上是最高效的。当然也有缺点:当base class members有任何改变,用到此base class或者derived class的对象必须重新编译。在C++ 2.0引入了virtual base class,需要一些间接性的方式来支持该特性,一般会导入一个virtual base class table或者扩展已有的virtual table,详细会在后面博文讨论。

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