深入探索C++对象模型 之 关于对象（Object Lessons）

2004年12月4日11:34:42

众所周知c++是一个多范性的语言。包括：过程性的，抽象数据类型（ADT，Object-Based），面向对象的(Object-Oriented)。所谓过程性的程序设计方法就是传统的c程序的设计方法：数据和处理数据的操作是分开来声明的。而Object-Based的程序设计方法把数据和操作封装在一起（如String class），他不支持类的扩充，也就没有多态形式。但是OB设计比一个对等的OO设计速度更快而且空间更紧凑。面向对象的程序设计认为万事万物都是对象，支持继承，封装和多态特性。对象之间的关系是设计的重点和难点，要做到低耦合，易扩展，易维护。最后C++还支持Generic Program，类型可以参数化，数量也可以参数化，而这是C++的最高境界和发展前景。

从C过度到C++时的内存布局成本并没有显著的增加。
一个class object需要的内存包括以下三部分：
1.其nonstatic data members的总和大小；
2.加上任何由于alignment（边界调整）的需求而填补上去的空间；
3.加上为了支持virtual而由内部产生的任何额外负担。
C++在布局以及存取时间上的主要的额外负担是有virtual引起的，包括：
1.virtual function机制--用以支持一个有效率的“执行期绑定”。
2.virtual base class--用以实现“多次出现在继承体系中的base class，有一个单一而被共享的实体”。
（virtual就是共享的意思）

C++的对象模型：
在此模型中，Nonstatic data members 被配置于一个class object 之内，static data members 则被存放在所有的class object 之外，Static 和 nonstatic function members 也被放在所有的class object 之外。
Virtual functions 则以两个步骤支持：

1.  每一个class产生出一堆指向virtual functions 的指针，放在表格之中，这个表格被称为virtual table （vtbl）。

2. 每一个class object 被添加了一个指针，指向相关的virtual table。通常这个指针被称为vptr。vptr的设定和重置都由每一个class的constructor，destructor 和 copy assignment 运算符自动完成。每一个class所关联的type_info object （用以支持 runtime type identification, RTTI）也经由virtual table 被指出来，通常是防在表格的第一个slot处。

加上继承：
C++支持单一继承和多重继承。继承关系也可以指定为虚拟的，在虚拟继承的情况下，base class 不管在继承串链中被派生了多少次，永远只会存在一个实体。一个 derived class如何在本质上摸塑其base class的实体呢？一般是采用一种类似virtual table的base table模型，base class table 被产生出来时，表格中的每一个slot内含一个相关的base class 地址，每个class object 内含一个bptr，他会被初始化，指向其base class table。这种策略的主要缺点是由于间接性而导致的空间和存取时间上的额外负担，优点则是在每一个class object 中对于继承都有一致的表现方式：每一个class object 都应该在某个固定位置上安放一个base table 指针，与 base classes 的大小和数目无关。第二个优点是，不需要改变 class objects 本身，就可以放大，缩小，或更改base class table。

C++中保留关键词struct只是为了让C程序员和现存的C程序可以更容易的过度到C++。另外struct和class在C++中没有本质区别。可以用class的地方都可以用struct。C struct在C++中的一个合理用途，是当你要传递“一个复杂的class object的全部或部分”到某个C函数中去时，struct声明可以将数据封装起来，并保证拥有与C兼容的空间布局。然而这项保证只在组合的情况下存在。

C++以下列方法支持多态：

1. 经由一组隐含的转化操作。
   例如把一个derived class指针转化为一个指向其public base type 的指 针：shape *ps = new     circle ()；
2. 经由virtual function 机制：ps->rotate();
3. 经由 dynamic_cast 和typeid运算符：
if (circle *pc =dynamic_cast<circle*>(ps))...   

 

多态的主要用途是经由一个共同的接口来影响类型的封装，这个借口通常被定义在一个抽象的base class中。这个共享接口是以virtual function 机制引发的。
C++经由pointer 或referenece来支持多态：
         Bear b;ZooAnimal *pz=&b;bear *pb=&b;
除了ZooAnimal subobject中出现的members，你不能够使用pz来直接处理Bear的任何members。
//错误，cell_block不是ZooAnimal的一个member，虽然我们知道pz当前指向一个Bear object。
                    pz->cell_block;
唯一例外是通过virtual机制：
                    pz->rotata();
pz的类型将在编译时期决定以下两点：
1.固定的可用接口。也就是说，pz只能够调用ZooAnimal的public接口；
2.该接口的access level。
在每一个执行点，pz所指的object类型可以决定rotate()所调用的实体。类型信息的封装维护于“object的vptr”和“vptr所指之virtual table”之间。

看看下面这种情况：
Bear b;
ZooAnimal za=b;//将会引起切割(sliced)
za.rotate();//调用的是ZooAnimal::rotate()
 多态所造成的“一个以上的类型”的潜在力量，并不能够实际发挥在“直接存取objects”这件事情上。
一个pointer或reference之所以支持多态，是因为它们并不引发内存中任何“与类型有关的内存委托操作”；会受到改变的只是它们所指向的内存的“大小和内容解释方式”而已。