高山流水

Inside The C++ Object Model 學習筆記--The Semantics of Data

Chapter 3. The Semantics of Data : Data 語義學

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

一個類對象的大小受三個因素的影響
i.?? 語言本身所造成的額外負擔(overhead),? 當語言要支持virtual base class 時，就會導致一些額外的負擔.
ii.? 編譯器對特殊情況所提供的優化處理,? 如virtual base class class X subobject 的1bytes大小會出現在子類Y, Z的身上.
????? 如: sizeof(Y) = sizeof(Z) = 4(8) // 這里的4(8)和編譯器相關
?????
????? 有時候有的編譯器會用empty virtual base class 技術來優化, VC就是采用這一技術的, 這樣virtual base class 就不用占用大小了.

iii.? Alignment 的限制, Y和Z的大小本來大小都是4, 加上virtual base subobject的1bytes的大小共5個字節, 但實際上去是8bytes，這里就是受到字節對齊的影響.

C++對象模型對數據的存放結構是:
i.?? 把nonstatic data members直接的放在class object之中, 對繼承(不管是virtual 或 nonvirtual base class )而來的nonstatic data members也是這一樣的.
ii.? 沒有強制定義其間的排列順序
iii. 對static data members, 則被放置在一個global data segment中, 不會影響單個類的大小, 并且只保存一份實體. (template有所不同)

3.1 Data Member的綁定(The Binding of Data Member)
??? 示例代碼:

?1?//?A?third?party?foo.h?header?file?
?2??//?pulled?in?from?somewhere?
?3??extern?float?x;?
?4?
?5??//?the?programmer's?Point3d.h?file?
?6??class?Point3d?
?7??{?
?8??public:?
?9?????Point3d(?float,?float,?float?);?
10?
11?????//?question:??which?x?is?returned?and?set??
12?????float?X()?const?{?return?x;?}?
13?
14?????void?X(?float?new_x?)?const?{?x?=?new_x;?}?
15?
16?????//??
17?
18??private:?
19?????float?x,?y,?z;?
20??};?
21?
22?

?在早期的編譯器中會出錯, 不過在 C++2.0后就不會了, 在C++2.0后, 采用的是"rewriting rule" == "member scope rsolution rule" 規則來處理它.
?以前的編譯器中, float X() const { return x; }, 它不知道要返回哪一個x, 這里它會返回全局的 extern float x, 所以是不正確的. 后來的編譯器是會在整個class的聲明都出現了后才會分析member functions, 所以它不會現錯.

?對于下面的例子還是會出錯, 因為對于member functions signatures的分析不會到類完成以后, 而是第一次出現的時候就會分析的. 如下面的:

??所以最好始終的把"nested type declare" 放在類的起始處. (這在STL中好像最明顯, 都是先聲明的)

3.2 Data Member的布局 (Data Member Layout)

示例代碼:?

?1?class?Point3d?{?
?2??public:?
?3?
?4?????//??
?5?
?6??private:?
?7?????float?x;?
?8?????static?List<Point3d*>?*freeList;?
?9?????float?y;?
10?????static?const?int?chunkSize?=?250;?
11?????float?z;?
12??};?
13?

????? Data Member的布局按如下的規則:
????? i.?? Nonstatic data member 在class object中的排列順序和被聲明的順序是一樣的, 任何中間介入的static data member都不會被放進對象的布局中.
????? ii.? 要求在同一access section中"較晚出現的members在class object中有較高的地址"這一條件就可以.
????? iii. 編譯器可能會合成一些內部使用的data members, 以支持整個對象模型, 如vptr指針.? 對于它的具體位置, C++ Standard 沒有規定, 由編譯器產商自己決定. 不過傳統上一般是放在所有聲明的members的最后, 也有把vptr放在所有class object的最前端的.

3.3 Data Member的存取
示例:
????? Point3d?origin, *pt = &origin;
????? origin.x??? = 0.0;
????? pt->x = 0.0

1. Static Data Members的存取
??? 每一個static data member只有一個實體，存在于程序的data segment中。每次程序取用這個static data member的時候，就會被轉化為對該實體的唯一的extern實體的直接參考操作.? 用指針存取一個數和用對象去存取一個數是一樣的。
????
2. Nostatic Data Members的存取
??? Nostatic data member 直接存放在每一個class object之中，除非經由明確的或暗喻的class object，否則沒有辦法直接的存取它們。
??? 例如:
??? Point3d? Point3d::translate( const Point3d &pt )
??? {
??? x += pt.x;
??? y += pt.y;
??? z += pt.z;
??? }
??? 實際經過轉換后為：
??? Point3d? Point3d::translate( Point3d *const this, const Point3d &pt )
??? {
???? this->x += pt.x;
??? this->y += pt.y;
??? this->z += pt.z;
??? }
??? 對nostatic data member的訪問是這樣的:?
?origin._y = 0.0;?
??? 實際轉換操作是:
??????? &origin + (&Point3d::_y - 1 );
??????
?????? 注意:? 這里的-1操作。指向data member的指針，其offset值總是被加上1， 這樣可以使編譯系統區分出:
?i.? 一個用以指出class的第一個member的data member的指針.
?ii. 一個沒有指出任何member的data member的指針.
??
??? 如果是virtual 繼承的話，就可以不一樣了，可能要多加層的訪問層; 也可能要到運行時才能決定，由編譯器所決定.

3.4 “繼承”與Data Member
?示例數據:

??? C++的繼承模型:
?在C++的繼承模型中， 一個derived class object 所表現出來的東西，是其自己的member加上其base class(es) member的總和。對于數據成員出現的順序在C++ Standard 中沒有規定。從下面幾個方面來討論數據繼承:
?i.?? 單一繼承且不含有virtual functions
?ii.?? 單一繼承并含有virtual functions
?iii.? 多重繼承
?iV. 虛擬繼承

1. 只要繼承不要多態(Inheritance Without Polymoophism)
??? 繼承一般不會增加空間或存取時間。但繼承有時會有這樣兩種情況出現:
??? i.?? 經驗不足的人有時可能會重復的設計一些相同的函數.
??? ii.? 把一個類分解為多層，有可能會為了表現class的體系抽象化，使所需要的空間膨脹。
??????? 因為C++語言要保證: 出現在derived class 中的base class subobject 有其完整原樣性。

2. 加上多態(Adding Polymorphism)
??? 如：

?1??class?Point2d?
?2??{?
?3??public:?
?4?????Point2d(?float?x?=?0.0,?float?y?=?0.0?)?
?5????????:?_x(?x?),?_y(?y?)?{};?
?6?
?7?????//?access?functions?for?x?&?y?same?as?above?
?8?????//?invariant?across?type:?not?made?virtual?
?9???
10?????//?add?placeholders?for?z??do?nothing??
11?????virtual?float?z(){?return?0.0?};?
12?????virtual?void?z(?float?)?{}?
13?
14?????//?turn?type?explicit?operations?virtual?
15?????virtual?void?operator+=(?const?Point2d&?rhs?)
16?????{?
17?????????_x?+=?rhs.x();?_y?+=?rhs.y();
18??????}?
19???
20?????//??more?members?
21?
22??protected:?
23???float?_x,?_y;?
24??};?
25?
26?

?//
?要支持多態，Point2d數據成員要做如下的工作:
?i.?? 導入一個和Point2d有關的virtual table(vtbl), 存放它聲明的每一個virtual function的地址
?ii.?? 在每個class object中導入一個vptr, 提供執行期的鏈接，使每個object都能找到相應的virtual table.
?iii.? 加強construtor, 使它能夠為vptr設定初值，讓它指向class所對應的virtual table.
?iV.? 加強destructor, 使它能夠抹消"指向class的相關"virtual table" 的vptr.

?Figure 3.3. Data Layout: Single Inheritance with Virtual Inheritance
?

3. 多重繼承(Multiple Inheritance)
?
?
4. 虛擬繼承(Virtual Inheritance)
??? Class 中如果含一個或多個virtual base class subobjects, 它將被分為兩個部分: 一個不變的局部和一個共享的局部.
??? i.?? 不變的局部中的數據，不管后繼如何衍化，總有固定的offset， 所這一部分的數據可以直接的被存取。
??? ii.? 共享的局部，所表現的就是virtual base class subobject, 這一部分的數據會因為每次派生的操作而有變化, 所以它們只能間接的存取。

3.5 對象成員的效率(Object Member Efficiency)

3.6 指向數據成員的指針(Point to Data Members)

posted on 2006-10-30 14:36 猩猩 閱讀(199) 評論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類: C&C++語言