C++对象模型-构造函数语意学

关于C++，最常听到的一个抱怨就是：编译器背着程序员干了太多的事情。

 

default constructor函数的构建

default constructors会在需要的时候被编译器创建出来，关键字是：在需要的时候？被谁需要？用来做什么事情？

例如：

class Foo{ public: int first_val; int second_val; };

void foo_bar() {
    Foo foo; //foo对象中的成员变量应在此处被初始化
    if (foo.first_val)
    //...do samething
}

在这个例子中，正确的程序语义是要求Foo有个default constructors，可以将它的两个members初始化为0。这段代码可曾符合"在需要的时候"？答案是NO

其间的差别在于一个是程序需要，一个是编译器需要。如果是程序需要，那初始化的任务是程序员的责任，只有当编辑器需要时default constructors才会被合成。

此外，被合成出来的default constructors只执行编译器所需的行动，也就是说，即使有需要为class Foo合成一个default constructors，那个合成出来的constructors也不会将数据成员初始化为0，为了让上一段代码正确执行，类的设计者必须提供一个明显的constructors将两个成员变量初始化。

C++ Standard[ISO-C++95]的Section2.1上讲：被编译器合成的default constructors将是一个浅薄而无能，没啥用的constructors。

 

下面分别讨论nontrival(非平凡) default constructors的四种情况

情况1：带有default constructors的成员类对象

如果一个class没有任何constructors，但它内含一个类成员对象，而后者有default constructors(如果只有带参构造函数，编译器会认为你用心设计这个类，会将初始化任务交给设计者)，那么这个类的合成的default constructors就是nontrivial，不过这个合成操作只有在constructors真正需要被调用的时候才会发生。

例如：

class Foo { public: Foo() { std::cout << "l am called" << std::endl; } Foo(int){} };
class Bar { public: Foo foo; char *str; };

int main() {
    Bar foo; 　　//Bar::foo对象必须在此处被初始化
    if (foo.str) { /*........*/}
}

被合成的Bar default constructor内含必要的代码，能够调用class Foo的default constructor来处理member object Bar::foo，但并不产生任何代码来处理Bar::str。即被合成的default constructor只是为了满足编译器的需要（编译器需要有个地方来初始化Bar::Foo，因为它有自己的default constructor），而不是程序的需要（初始化Bar::str是程序员的任务）。再一次提醒:被合成的default constructors只满足编译器的需要，而不是程序的需要。

如果我们在Bar类中添加构造函数:

Bar::Bar() { str = 0; }

现在程序的需求满足了，但是编译器还需要初始化成员对象foo，由于default constructor已经被明确定义出来，编译器没办法合成第二个。则编译器会扩张已存在的constructor，在其中安插一些代码，使得user code在被执行之前，先调用必要的default constructor 。

已被显示声明的constructor会被编译器扩展为：

Bar::Bar(){ 
    foo.Foo::Foo();     //编译器安插的隐藏代码代码
    str = 0;            //显式的程序员代码
}    

一个类中如果有多个类成员对象都要求constructor初始化操作，C++将以成员对象在类中的声明次序来调用各个constructor，这一点有编译器完成。

 

情况2：带有default constructor的Base Class

如果一个没有任何constructor的类派生自一个带有default  constructor的基类，那么这个子类的default constructor会被视为nontrivial，因此需要被合成出来调用基类的default constructor(根据它们的声明次序)。

如果设计者提供多个constructor，编译器不会合成新的default constructor，而是会扩展现有的每一个constructor，将用来调用所需要的default constructor的程序代码加进去。

 

情况3：这个类带有Virtual Function

这种情况包括两个更细的情况：

1．这个类自己声明（或者继承）一个Virtual Function。

2．这个类继承自一个继承串链，其中有virtual base class。

这种情况下，编译时，要做如下工作：

1.一个virtual function table(vtbl)会被编译器生成出来，内存放类的virtual functons地址。

2.在每一个class object中，一个额外的pointer member(就是vptr，指向vtbl)会被编译器合成出来。此外虚拟调用会被替换（w.vf() => w.vprt[1]）。

为了支持这种功能，编译器必须为每个w对象设置它的vptr（这是成员变量，此时需要指向合适的vtbl），因此编译器需要在default constructor中安插一些代码来完成这种工作。

 

情况4：这个类带有Virtual Base Class。

考虑这样的代码：

classX { public: inti; };

classA : publicvirtualX   { public: intj; };

classB : publicvirtualX   { public: doubled; };

classC : publicA, publicB { public: intk; };

//无法在编译期间解析出 pa->i 的位置（给一个pa无法确定i的地址）。

void foo( constA* pa ) { pa->i = 1024; }

main() {

   foo( new A );

   foo( new C );

   // ...

}

 

由于pa的真正类型不确定，所以某些编译器会记录一个指针例（如 __vbcX）来记录X，然后通过这个指针来定位pa指向的i。上述

void foo( constA* pa ) { pa->i = 1024; }

变成了：

void foo( constA* pa ) { pa-> __vbcX ->i = 1024; }

 

因此，__vbcX这个指针需要在object构造期间设置好。于是编译器需要一个default constructor来完成这个工作。

 

 

复制构造函数Copy constructor的构造

何时用到copy constructor：显式用t1初始化t2；传参；返回一个类对象。

如果程序员显式定义了copy constructor，则调用它。

如果没有，其内部是通过 default memberwise initialization的手法完成的（将源对象的所有member复制给目的对象，对于member class object，会递归执行memberwise initialization）。

 

这些操作是如何构造的：

概念上讲，这些操作是被一个copy constructor实现的。

上述强调“概念上讲”，是因为有时候copy constructor是trivial的。

 

copy constructor何时是nontrivial：简单的答案为当class没有展现bitwise copy semantics时，copy constructor是nontrivial的。

 

那么什么时候class没有展现bitwise copy semantics：答案为有四种情况。

情况1：这个类的某个member object有copy constructor。（编译器要在这个类的copy constructor来调用其member object的copy constructor）。

 

情况2：这个类继承自某个有copy constructor的base class。（编译器要在这个类的copy constructor来调用其base class的copy constructor）。

 

情况3：这个类声明了若干个virtual function。

如下代码

void draw(const ZooAnimal& zoey) {zoey.draw();}

void foo() {

   ZooAnimal franny = yogi;

   draw (yogi);   //调用 Bear::draw()

   draw (franny); //调用 ZooAnimal::draw()

}

如果ZooAnimal按照bitwise copy进行复制（ZooAnimal franny = yogi;），则会出现franny的vptr设置成了yogi的vptr，于是draw (franny);调用的会是Bear的draw。（事实上不是，因为franny是一个实例，不是指针也不是引用）。

因此ZooAnimal的复制构造函数需要显式设定vptr（使之指向ZooAnimal的vtbl），这个设置动作需要在合成的copy constructor中完成。

 

情况4：这个类派生自的继承链中有virtual base class。

同构造函数的情况4。 __vbcXXX需要显式重设，这个设置动作需要在合成的copy constructor中完成。

 

Raccoon和RedPanda中含有指向virtual base class subobject的指针（设为__vbcZooAnml），则当用RedPanda初始化Raccoon时( Raccoon rc=rp;)，将Raccoon-> __vbcZooAnml 设置为RedPanda->__vbcZooAnml是不对的。因此需要重新设置__vbcZooAnml，这个动作需要在copy constructor中完成。

 

总结以上4种情况，bitwise copy semantics的意思可以理解为：类的某些成员变量（包括程序员定义的成员变量和编译器所需要的变量如vptr、__vbc等）不能按位复制时，需要调用成员变量的copy constructor或者重设vptr等编译器所需类的成员变量，这些动作都需要在发生对象复制的时候完成，因此编译器会合成一个copy constructor（入股没有的话）。

 

 

程序转化语义学 Program Transformation Semantics

 

显式的初始化操作 Explicit Initialization

 

X x0;

void foo_bar(){

   X x1(x0);   //定义了x1

   X x2 = x0;      //定义了x2

   X x3 = X(x0);   //定义了x3

}

转化的两个动作：重写每一个定义，其初始化部分被剥除；用copy constructor初始化。

即变成了

void foo_bar(){

   X x1;    //定义被重写，初始化操作被剥除

   X x2;    //定义被重写，初始化操作被剥除

   X x3;    //定义被重写，初始化操作被剥除

 

   //编译器安插X copy constructor。

   x1.X::X( x0 );

   x2.X::X( x0 );

   x3.X::X( x0 );

}

 

其中x1.X::X( x0 );会表现为对copy constructor（即 X::X( constX& xx);）的调用。

 

参数初始化 Argument Initialization

 

如下代码的变化

void foo(X x0);

...

X xx;

foo(xx)

 

变成了

void foo(X& x0);

...

X __tmp;

__tmp.X::X( XX );

foo(__tmp);

其中X声明了destruconstructor，它在foo调用完成后销毁__tmp。

 

另一种变化是拷贝构建（copy construct），将实际参数直接建在其应该在的位置上。

 

 

返回值的初始化 Return Value Initialization

 

X bar(){

   X xx;

   ...

   return xx;

}

 

 

变成了

void bar(X& _result){

   X xx;

   ...

   _result.X::X(xx);

   return;

}

 

对函数的调用

X xx=bar();

 

变为：

X xx;

bar(xx);

 

对函数的调用

bar().memfunc();

 

变为：

X _tmp;

(bar(_tmp),_tmp).memfunc();

 

 

在使用者层面做优化 Optimization at the User Level

 

在编译器层面做优化 Optimization at the Compiler Level

 

针对这种转化：

X bar(){

   X xx;

   ...

   return xx;

}

 

 

变成

void bar(X& _result){

   X xx;

   ...

   _result.X::X(xx);

   return;

}

 

这一转换的一个优化为：转变成如下代码

void bar(X& _result){

   _result.X::X(xx);

   //原来处理xx，现在变为处理_result。

   return;

}

 

这一优化称之为NRV（Named Return Value）。

虽如此，NRV饱受批评。主因有二：编译器实现程度不一致（有些编译器）。函数变得复杂时，优化难以实施。

 

Foo() { std::cout << "l am called" << std::endl; }
，