深度探索C++对象模型之第三章：数据语义学

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 如下三个类：

class X  { }；
class Y :public virtual X { };
class Z : public virtual X {};
class A :public Y,public Z {};

一、编译器优化之前的大小：

上述四个类在优化之前的大小分别是：1、8、8 、12

　类X明明没有任何成员为什么大小是1byte呢？因为那是编译器插入的一个char,这使得这一class的两个object在内存中有独一无二的地址。

　Y和Z的大小都是8，这受到了机器和编译器共同的影响。即以下三个因素：

• 语言本身造成的负担（overhead）  当C++支持virtual base classes时，就会导致一些额外负担。在derived class中，这个负担会反映成一个指针，它要么指向virtual base class subobject或者指向一个相关table：表格中存放的不是virtual base class subobject的地址，就是其偏移位置。
• 编译器对特殊情况所提供的优化处理。virtual base class X subobject的1bytes大小也出现在Y和Z上。传统上它们被放在derived class的固定部分的尾端。
• Alignment的限制（将数值调整到某数的整数倍）

以下是X Y Z A的对象布局：

　　

 

来看下类A的大小：一个virtual base class subobject只会在derived class存在一份实例，不管它在class继承体系中出现了多少次：

• 被大家共享的一个X实例，大小是1byte
  
• Base class Y的大小，是4Bytes。Base class Z也是一样。
• class A自己的大小是：0 bytes
• alignment 将9bytes调整到12bytes

每个类的大小会增加，由以下两个因素决定：

• 编译器自动加上额外的data members，用以支持某些语言特性（主要是virtual特性）
• alignment（边界调整）的需要

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二、编译器优化之后的大小：

　　　对于Empty virtual base class (X )，它没有定义任何数据。某些编译器对它提供了特殊处理，处理之后，empty virtual base class变成了derived class object最开头的一部分（既然有了members，就不需要原本为了empyt安插的一个char）.

如果编译器进行优化处理（将empty virtual base class X）的那1byte拿掉，类A只剩下8bytes。

　　所以优化后的模型大小分别是：1/4/4/8

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三、类的data member；

　　一个class的data members，可以表现这个class在执行程序时的某种状态。Nonstatic data member放置的是“个别class object”感兴趣的数据，static data members则是放置的整个“class”感兴趣的事情。

　　C++将nonstatic data members数据直接放在每一个class object中。对于继承而来的nonstatic data members也是如此，但是并没强制定义其间的排序顺序。而static data member永远只存在一份实例（即使class没有任何object实例），它被存放于程序的一个global data segment中。但是一个template class的static data members行为稍有不同。

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四、data member的绑定：　　

　 我们知道编译器先对整个类的声明进行编译，在进行名字查找时，总是先查找类内的名字，所以当类外和类内使用相同名字的变量时，总是会屏蔽掉类外的那一个，如果我们真的想使用类外的那一个，就使用作用域运算符::。

　　但是这种情况对于argument list并不为真，　对于这种情况，应该将nested type声明放置于class的起始处。

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五、data member的布局：

　

如上所述的一个类，其Nonstatic data members在class object中的排列顺序将和其声明的顺序一样。任何static data member都不会放入对象布局之中，它们被放在data segment中。members的排列在class object中有较高的地址（C++ Standard）各个members之间并不一定需要连续，比如members的alignment也会填补一些bytes，所以C++标准对数据成员的布局还是相对开放的。

　　除了上述members以外，编译器还会合成一些members比如vptr,vptr的位置也是随意，不过最好还是放在开头或结尾部分、　

　　另外access sections（public/private/protected）的多寡，不会影响class object的大小和组成（暂时认为是同一个access section的多少：比如private）

　

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 六、Data的存取

　　

Point3d origin;
Point3d origin , *pt = &origin

 

 

 

　　对于static data member，它被视为一个global变量（但是只在class的生命范围之内可见）。classd的存取、关联都不会影响static data member。

并且static data member有且只有一个实例，存放在data segment中。

 　　比如如下操作：

origin.chunkSize = 250;
pt->chunkSize =250;

 

 　C++通过指针和一个对象来存取member，结论是一样的。其实member并不在class object之中，因此存取static member并不需要class object.即使chunkSize是经过复杂关系继承而来，那也不会影响，static members还是只有一个实例，且存取路径仍然是那么直接。

　　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并不包含在class object之中。

&Point3d::chunkSize;
//会得到如下结果：
const int*

 

 如果两个class中都声明了static data member,放心啦~编译器会自动对它们进行编码的，咱们不用操心。

 

对于Nonstatic data members,它们直接存放在每个class object中，除非经过explicit或implicit的class object，否则没有办法直接存取它们。只有程序员在member function中直接处理一个nonstatic data member，那么implicit class object就会发生。如下所示：

　　

Point3d Point3d::translate(const Point3d*pt){
 x+= pt.x;
 y+= pt.y;
 z+= py.z;
};

//表面看到的对x/y/z的直接存取，实际上是通过implicit class object （this指针表达）完成的
//成员函数的内部转换如下：
Point3d Point3d::translate(Point3d *const this,const Point3d &pt){
 this->x += pt.x;
 this->y += pt.y;
 this->z += pt.z;

};

 

　　若是对一个nonstatic data member进行存取操作，则是通过class object的起始地址加上data member的偏移位置（offset）.

　　

origin._y = 0.0;
//则地址&origin._y是如下：
&origin + (&Point3d::_y - 1);

 

 上述-1操作是指向data member的指针，其offset总是被加上1，用于区分指向data member和class的第一个data member的情况。每个nonstatic data members的偏移位置在编译时期就可以知道。

origin._x = 0.0;
pt-> _x = 0.0;

 

 　　上述代码的区别在于当Point3d是一个derived class，且其继承结构中有一个virtual base class，并且被存取的member是从virtual base class继承而来的，那么此时我们就不能说pt具体是指向的哪一种类型，所以我们也就不知道这个offset的真正位置，这个存取操作必须必须延迟到执行时期，经过一个额外的间接导引，才能实现。但是如果使用第一种方式，其类型无疑是Point3d，即使它继承自virtual base class，所以_x的offset在编译时期也就能够确定下来。

 

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 七、继承的数据成员布局：

 　　对于derived class和base class的排列顺序，一般编译器总是让base class先出现，但是属于virtual base class的除外。任何一条通则遇到virtual base class都会失效.

class Point2d{
public:

private:
 float x,y;
};

class Point3d{
public:

private:
 float x,y,z;
};

 

 

1.无virtual function的对象布局图：

 　　

2.单一继承无虚函数：

　

3.单一继承有虚函数：

　当加入虚函数之后，势必会对Point2d class带来空间和存取时间上的额外负担：

• 导入一个和Point2d有关的virtual table,用于存放每个virtual function的地址。table的元素数 =虚函数个数 + 一个或两个slots（用于RTTI）
  
• 在每个class object中，导入一个vptr，用于提供执行期的链接，使每个object都能够找到相应的virtual table.
• 增强constructor，使它能够为vptr设定初值，让它指向class所对应的virtual table。
• 增强destructor，使它能够抹消vptr。

 

4.多重继承：

　例如如下多重继承机制：

 

　　

 多重继承的问题主要发生在derived class objects和其第二或后继的base class objects之间的转换：对一个多重派生对象，将其地址指定给最左端（第一个）base class的指针，情况和单一继承相同，因为二者具有相同的起始地址。至于第二个或后继的base class则需要，对地址进行修改。

Vertex3d v3d;
Vertex *pv;
Point2d *p2d;
Pint3d *p3d;

pv = &v3d; //这是将一个派生类赋给第二个base class

//则需要这样的内部转换
pv = （Vertex*）(((char*)&v3d) + sizeof（Point3d））；//要找到v3d显示转换为Vertex大小，然后再加上（Point3d）的地址长度。

4.虚拟继承：

　　

　　要找到一个办法将istream和ostream各自维护的一个ios subobject，折叠成一个由iostream维护的单一 ios subobject，并且可以保存base class 和derived class的指针（以及reference）之间的多态指定操作。

 　　方法如下：

　　如果类中含有一个或多个virtual base class subobjects，像istream一样，那么这个class将被分割为两部分：一个不变区域和一个共享区域。

• 不变区域中的数据不管后继如何衍化，总有固定的offset（从object的开头算起），所以这一部分数据可以被直接存取。
• 共享区域中的数据（virtual base class subobject）其位置会因为每次的派生操作而有所变化，所以它们只能被间接存取。

其中不同编译器之间的差距就在于，间接存取的方式，例如如下继承体系：

 

 

 一般布局策略是先安排好derived class中的派上部分，然后再建立其共享部分。如何存取class的共享部分呢?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virtual base class。要存取继承得来的virtual base class members,通过相关指针间接完成。

　　例如如下代码：

　　

void Point3d:: operator +=(const Point3d &rhs){
 _x += rhs._x;
 _y += rhs._y;
 _z += rhs._z;
};

//在cfront的策略之下，运算符会被内部转换为：

_vbcPoint2d->_x +=rhs._vbcPoint2d->_x; //_vpcPoint2d是那个derived class的指向virtual base class 
_vbcPoint2d->_y  +=rhs._vbcPoint2d->_y;
_z += rhs._z; 

 

 同时derived class到base class的之间的转换：

Point2d *p2d = pv3d;
//在c++模型之下变成
Point2d *p2d = pv3d ? pv3d->_vbcPoint2d : 0

 

 　　上述模型缺点：

• 每个对象必须对其每个virtual base class背负一个额外的指针，导致其负担因virtual base classes的个数而变化。
• 若虚拟继承串链加长，导致间接存取层次增加，如果我有三层虚拟派生，我就需要三次间接存取（经过三个virtual base class的指针），但是我希望的是有固定的存取时间。

解决第二个问题：由拷贝操作取得所有的nested virtual base class的指针，放到derived class object中，虽然空间上付出了一些代价，但是解决了固定存取时间的问题：如下所示：

　　

解决第一个问题：引入所谓的virtual base class table.每个class object如果有一个或多个virtual base classes，就会由编译器安插一个指针，指向virtual base class table,这里面放的是真正的virtual base class 指针。

通常，virtual base class最有效的运用方式是：一个抽象的Virtual base class，没有任何data members.

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八、对象成员的效率

　1.封装和inline测试：

• 如果把编译器的优化打开，“封装和inline”就不会带来执行期的效率成本。
• 如果没有把优化开关打开，就很难猜测到一个程序的效率表现。

 　2.继承测试：

• 单一继承并不会影响效率，因为members被连续存储在derived class object中，并且它的offset在编译时期就已经知道了。这个结果在多重继承下应该也是一样的。
• 虚拟继承的效率令人失望，间接存取操作压抑了“把所有运算都移往寄存器的优化能力”，但是间接性并不会严重影响非优化程序的执行效率。

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 九、指向数据成员的指针

　　如下述代码:

class Point3d{
public:
   virtual ~Point3d();
protected:
    static Point3d origin;
    float x,y,z;
};

 

　static成员放在class object之外，x/y/z按照声明顺序进行排列。vptr不是放在开头就是结尾。

先假设将vptr放在尾端：则x y z在对象布局中offset分别是0 4 8，但是传回的是1 5 9 ？问题在于如何区分一个“没有指向任何data member的指针”和一个指向“第一个data member”的指针：

　　考虑如下例子：

float Point3d::*p1 = 0;
float Point3d::*p2 = &Point3d::x;
//Point3d::*的意思是指向“Point3d data member”的指针类型

 

　　很明显p1是一个没有指向任何data member的指针，而p2是指向第一个data member的指针。

为了区分p1和p2，每一个真正的data member offset的值都应该被加上1.因此当我们在真正使用该值以指出一个member之前，请先减掉1.

 

接下里看一下，取一个nonstatic data member的地址和取一个绑定到真正class object上的data member的地址，有什么不同？

& Point3d::z;
& origin.z;

 

 

 

第一种将会得到它在class中的offset，即float Point3d::*,而第二行将会得到该member在内存中的真正地址float*。

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十、指向members的指针的效率问题：

　　为每个成员存取操作加上一层间接性，会使得执行时间多出一倍不止。以指向member的指针来存取数据，再一次几乎用掉了双倍时间。而优化使得三种存取策略表现一致。

　　由于被继承的data members是直接存放在在class object中的，所以继承的引入并没有影响这些代码的效率。