《深度探索c++对象模型》（三）

前述

本章的的主题是Data语意学，主要是探究编译器对class中的Data member的绑定、布局和存储等操作，最后探究Data member存取和多种继承方式之间的效率关系，以及指向Data member的指针的效率问题。

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参考书籍及链接：《深度探索c++对象模型》

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0、本章基础

1. 空类对象的大小是多少？

class X { };//空类

对于空类，它有一个隐藏的1byte大小，那个被编译器安插进去的一个char,这使得这一class的两个objects得以在内存中配置独一无二的地址。

2. class object的size会受到哪些因素的影响？

会影响class object的size的因素有如下三个，编译器：

• 1. 语言本身所造成的额外负担：当语言支持virtual base classes时，就会导致一些额外负担。需要一个指针，它或者指向virtual base class subobject,或者指向一个相关的表格，表格用于存储subobject地址或偏移值。
• 2. 编译器对于特殊情况所提供的优化处理：Virtual base class subobject的1 byte大小也会出现在derived class上。
• 3. Alignment（边界对齐）的限制：在大部分的机器上，聚合的结构体大小会受到alignment的限制，使他们能够更有效率地在内存中被存取。比如32机器字上就是4的整数倍。

3. 各种类型data member的存放。

nonstatic直接放在class object之中。static data member放置在程序的一个global data segment中，不会影响个别class object的大小。无论class产生多少个object,甚至是0个，其static data members永远也只存在一份实例。但是一个template classs的static data members的行为稍有不同。

一、Data member的绑定

1. member function取用的是global还是local data member?

当member funtion取用Data时，优先考虑member data,人们称这种情况为“member rewriting rule”，意思是对于member functions本身的分析，会直到整个class的声明都出现了才开始。在一个inline member function躯体之内的一个data member绑定操作，会在整个class声明之后才发生。

以前人们提倡两种程序设计风格，即将所有的data members放在class声明起始处，或者把所有的inline function都放在class声明之外。就是为解决绑定问题，但这种情况在c++ 2.0之后已经解决了。

2. member function的argument list的情况又是怎么样的呢?

与取用data member不同的是，argument list中的名称还是会在它们第一次 遭遇时被适当地决议（resolved）完成。

typedef int length;

class Point3d{
public:
    void mumble(length val) { _val=val;} //length被决议为global
    length mumble() {return val;}
    // ...
private:
    typedef float length;//这样的声明将使先前的参考操作不合法
    length _val;
    // ...
};

虽然编译器能处理，但还是提倡一种防御性程序风格：即总是把“nested（嵌套的） type声明”放在class的起始处。

二、Data member的布局

1. Data member是怎样被放置的？

关于data member的布局，记住以下三点：

• nonstatic data members在class object中的排列顺序和其被声明的顺序一样，任何中间介入的static data members都不会被放进对象布局之中。
• C++ standard允许编译器将多个access sections(也就是private、public、protected等区段)之中的data members整体自由排列，不必在乎他们的出现在class中的声明顺序（连续的两个privata也算两个section）。
• 编译器还可能会合成一些内部使用的data members，以支持整个对象模型，vptr就是这样的东西，当前所有的编译器都把它安插在每一个“内含virtual function之class”的object内。

三、Data member的存取

1. 经由一个class object和一个指针存取data member，有重大差异吗？

答案是显然的，这跟data member的类型和class的继承等都有关系，分如下两种情况讨论：

• data member 为 static
  static data members会被编译器提出于class之外，并被视为一个global变量(但只在class生命范围内可见)。每一个static data member只有一个实例，存放在程序的data segment之中，通过一个指针和通过一个对象来存取data member都是一样的。

  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，因为static member并不内含在一个class object之中。

  如果有两个classes，每一个都声明了一个同名的static member，编译器就会暗中对每一个static data member编码(对于这种手法有个很美的名称：name-mangling)，以获得一个独一无的程序识别代码。

• data member 为 nonstatic
  Nonstatic data members直接存放在每一个class object之中。只有经过class object才能存取它们（implicit 存取如this指针）。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的偏移位置(offset)。

  每一个nonstatic data member的偏移位置(offset)在编译时期即可获知，甚至如果member属于一个base class subobject(派生自单一或多重继承串链)也是一样的。因此，存取一个nonstatic data member，其效率和存取一个C struct member或一个nonderived class的member是一样的。

  但是如果该data member是一个virtual base class 的member,那么通过指针的存取速度会稍慢一点。（指针的真正class type 只有在执行器才真正确定）。

四、“继承”与Data Member

C++ standard未强制指定derived class members和base class members的排列顺序，理论上编译器可以自由安排之。在大部分编译器上头，base class members总是先出现，但属于virtual base class的除外。“继承”会对Data Member的布局有什么影响？接下来分四种情况进行讨论。

1. 第一种情况：只要继承不要多态。

这种情况不会存储时间上的额外负担，由于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，可以提供了最佳执行效率。

2. 第二种情况：加上多态。

加上virtual function接口后，弹性增加了，但也同时增加了空间和存取时间上的额外负担，如何取舍，视多态程序所带来的利益。可能带来的额外负担如下：

• 导入一个和virtual table ，用来存储它所声明的每一个virtual functions的地址。再加上一两个slots(type_info)。
• 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。
• 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。
• 加强destructor，使它能够消抹“指向class 相关virtual table”的vptr。

3. 第三种情况：多重继承。

对于单一继承，如果没有virtual function，那么编译器就不需要做其他工作;但如果base class没有virtual function而derived class有，并且vptr放在object首部，那么当把一个derived object转换为其base object时，就需要编译器对vptr进行调整。在既是多重继承又是虚拟继承的情况下，编译器的需要做的会更多。
对一个多重派生对象，将其地址指定给“最左端(也就是第一个)base class的指针”，情况将和单一继承时相同，因为二者都指向相同的起始地址。至于第二个或后继的base class的地址指定操作，则需要将地址修改为：加上(或减去)介于中间的base class subobjects大小。比较需要注意的是，如果在取drived class object的地址时进行偏移计算时，若其为指针，就需要判断其是否为0，若为0则基类object的地址也应为0。当然，这些都是编译器的工作，我们需要了解，但不需要自己去实现。

如果要存取第二个(或后继)base class中的一个data member会是怎样的情况？需要付出额外的成本吗？ 不，members的位置在编译期就固定了，因此，存取members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。

4. 第四种情况：虚拟继承。

虚拟继承的出现是为了避免多个相同base class subobject的出现，将其只保留一份，从而减少空间浪费。
class如果含有一个或多个virtual base class subobjects将被分割为两部分：一个不变区域和一个共享区域。不变区域中的数据，总是能有固定的offset，这部分可以被直接存取，至于共享部分，所表现的就是virtual base class subobject ，这个部分数据，其位置因为每次派生操作而有变化，所以只能间接存取。

一般而言，virtual base class最有效的一种运用形式就是：一个抽象的virtual base class，没有任何data members。

五、对象成员的效率

程序员如果只关心起程序效率，应该实际测试，不能光凭推论、常识判断或假设。
参考书籍作者所做的测试表明，虚拟继承所造成确实会严重影响data member的存取效率。

五、指向Data members的指针(Pointer to Data Members)

1. 如果获取Data member的偏移值？偏移值应该为多少？

通过如（&Point3d::z）这样的操作可以获得data member的偏移值。实际测试表明所获得的offset比预想大1，这是为什么？实际上这样做的目的是为了区分一个“没有指向任何data member”的指针，和一个指向“第一个data member”的指针的情况。比如：

float Point3d::*p1 = 0;//“没有指向任何data member”的指针
float Point3d::*p2 = &Point3d::x;//指向“第一个data member”的指针

if(p1 == p2) //如何区分?
{
    cout << "p1 & p2 contain the same value --" ;
    cout << " they must address the same member!" << endl;
}

因此，不论编译器或使用者都必须记住，在真正使用该值以指出一个member之前，请先减掉1。

2.“指向Member的指针”对数据的存取有什么影响？

无继承时，指向member的指针对数据的存取操作，首先需要计算offset-1,其次具体的object需要用offset计算地址，会极大地降低效率，但目前的一些编译器提供了对应的优化，可以使其像直接通过对象取值一下快速。
有继承时，data member是直接放在class object中的，理论上不会影响代码的效率，但继承的使用会妨碍优化的效果。