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C++对象模型

思考:对于实现平面一个点的参数化。C++的class封装看起来比C的struct更加的复杂,是否意味着产生更多的开销呢?

实际上并没有,类的封装不会产生额外的开销,其实,C++中在布局以及存取上的额外开销是virtual引起的。

C++对象模式

在C++中,有两种class data members:静态成员和非静态成员。有三种class member functions:静态的,非静态的以及虚函数

C++对象模型

Nonstatic datamembers 被配置于每一个class object之内。static data members则被存放在个别的class object之外。

static 和nonstatic function members也被存放在class object之外(仅一份)

virtual fuction:每一个class产生一堆指向virtual table(vtbl)中;每一个class object被安插一个指针,vptr指向相关的virtual table

(图示) file

关于继承

继承关系也可指定为虚拟(也就是共享)

(图示) file

在虚拟继承的情况下,base class不管在继承串链中被派生多少回,永远只存在一个实例(subobject)

(图示) file

对象模型如何影响程序

(图示) file

对象的差异

程序模型(类C)

char boy[] = "Danny";
char *p_son;
...
p_son = new char [strlen(boy) + 1];
strcpy(p_son,boy);
...
if(!strcmp(p_son,boy))take_to_disneyland(boy)

抽象数据类型(ADT)

string girl = "Anna";
string daughter;
...
//string :: operator = ()
daughter = girl;
//string::operator==()
if(girl == daughter)take_to_disneyland(girl);

面对对象编程

void
check_in(Library_materials *pmat)
{
if(pmat->late() )pmat->fine();
pmat->check_in();
if(Lender *plend = pmat->reserved())pmat->notify(plend);
}

多态实现

在C++中,多态只存在于一个个的public class体系中

有这样三种多态支持:

经由一组隐式的转化操作。例如把一个derived class指针转化为一个指向public base type的指针;

shape *ps = new circle();

经由virtual fuction机制

ps->rotate();

经由dynamic_cast和typeid运算符;

if(circle pc = dynamic_cast<circle>(ps))..

思考:需要多大内存才能够表现一个class object?

非静态数据成员(non-static data members):非静态数据成员是每个类对象都需要独立分配的,所以其大小需计算在内。

虚函数表指针(vptr):如果类含有虚函数,则需要一个指针指向虚函数表,用于动态绑定。这个指针的大小通常是机器字长,比如64位系统为8字节。

内存对齐填充(padding):为了优化内存访问效率,编译器会在类成员之间插入内存对齐填充。

其他系统占用空间:除了类自身需要的空间外,一些编译器和系统会在类对象中预留一些额外空间,例如运行时类型信息(RTTI)。

所以一个类对象所需内存的计算公式概略为:对象内存 = 非静态数据成员大小总和 + (含虚函数则加上vptr指针大小) + 填充大小 + 其他系统占用大小

其中除了非静态数据成员外,其他部分大小在不同系统和编译器下可能有所不同。

一个更准确的计算对象大小的方法是:在程序中使用sizeof运算符,它会返回这个平台下该类对象的确切字节大小。 

注意:

类中静态数据成员(static data member)与对象的内存大小无关。

静态数据成员不属于类的任何一个对象,只会在程序的整个生命周期内有一份内存拷贝存在。

所以静态数据成员不会影响每个类对象实例的内存需求。 指针的类型

例子:

ZooAnimal  *px;
int *pi;
Array<string>*pta;

从内存上面看,这几个指针没有什么区别,大小是一个机器地址。(word)

但是其实,“指针类型”会教导编译器如何解释某个特定地址中的内存内容以及大小。

(图示) file 进一步探讨:

Bear b; ZooAnimal za=b; //译注:这会引起切割(sliced) //调用 ZOOAnimal::rotate() za.rotate();

为什么rotate所调用的是ZooAnimal实例而不是Bear实例?此外,如果初始化函数(译注:应用于上述assignment操作发生时)将一个object内容完整拷贝到另个object去,为什么za的vptr 不指向Bear的virtual table?

ZooAnimal za = b;这行代码中,使用基类ZooAnimal的引用或指针初始化时,编译器会:

  1. 为za分配一个ZooAnimal类型的空间
  2. 把b对象中的ZooAnimal部分的数据拷贝过来

也就是说,这个赋值操作生成了一个新的ZooAnimal对象,它只包含了原b对象中的ZooAnimal部分的数据和函数,丢失了b作为Bear的额外信息。

然后za调用rotate()时,编译器根据静态类型(ZooAnimal)调用ZooAnimal::rotate(),而不是动态类型Bear::rotate()。

如果想保留全部信息,可以使用指针或引用:cpp Bear b; ZooAnimal* za = &b; za->rotate(); // 调用Bear::rotate()

或者使用动态绑定:cpp Bear b; ZooAnimal& za = b; za.rotate(); // 调用Bear::rotate()

编译器在将一个class object指定给另一个class object之间做出仲裁,编译器必须保证如果某个object含义一个或者以上的vptrs,那些vptrs不会被base class 改变。

补充:

当一个base class object 被直接初始化为(或是被指定为)一个 derived classobject 时,derivedobject 就会被切(sliced)以塞入较小的 base type 内存中,derivedtype将没有留下任何蛛丝马迹。多态于是不再呈现,而一个严格的编译器可以在编译时期解析一个“通过此object而触发的virtualfunction调用操作”,因而回避virtual机制。如果virtualfunction 被定义为inline,则更有效率上的大收获。

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