《深度探索C++对象模型》笔记（1）

最新推荐文章于 2025-06-02 21:09:10 发布

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本文深入探讨C++对象模型，解析面向对象编程的核心概念，包括封装、继承、多态的内存布局与实现机制，以及虚函数表和虚继承的作用。通过对比不同对象模型，阐述C++对象模型在空间和时间效率上的优势。

介绍

正如前几篇面试记录中各位面试官说的，了解如何使用还要明白一下其背后的原理，确实自己的知识欠缺太多，只是浮于表面，阅读本书来一次深度探索，将以往不知道的、模棱两可的尽可能的清晰化。话说科班的人好多都是找工作之前就看，而我是之后才开始，虽然晚了，但庆幸已经觉悟了。

马上2019，准备春招，加油

第一章关于对象

读后感放前面

经过阅读以后，感觉本质面向对象语言就是人机交流的一种语言，而C++主要做的是将通过一系列关键词、自定义名称、符号构成的代码，转换成内存中的存储方式，实质就是面向对象这个哲学概念如何用内存中的布局、存储方式表示以及在代码中使用继承、多态等概念时是如何通过内存中的数据找到实际要运行的代码。

而这一章重点在说面向对象这个概念在C++这个语言中是如何实现的内存布局、存储，（当然还有不同编译器相应实现的差异）

OO，OB，virtual function,virtual base class

Object-Oriented OO面向对象–我理解的：封装、继承、多态
Object-Based OB基于对象–我理解的：只有封装

在传统的C程序中，采用的是过程式的思维：“数据”和“处理数据的操作（函数）”是分开来声明的，它们二者之间并没有关联性。但到了C++里，倾向于采用独立的“抽象数据类型”（ADT）来实现数据的封装。从代码结构上来看，C++似乎比C要消耗更高的时间和空间成本，但事实未必如此。相比于C，C++在布局和时间上主要的额外负担是由virtual引起的，这分为两部分：（非virtual，在布局和时间C++相比于C并没有太大的负担）
1.virtual function机制，用以支持一个有效率的“执行期绑定”，这里虚函数就是类声明中用的virtual void f(int a);这一类的声明
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例”。这个是虚继承class a:public b{},class c:virtual b{}

“抽象数据类型”（ADT）等程序设计范式（programming paradigms）

函数化程序设计、逻辑程序设计、语义数据模型、几何计算、数值计算、面向对象设计、原型设计、自然语言……

C++支持三种：程序模型（procedural model）C语言支持的、抽象数据类型模型（abstract data type model,ADT）、面向对象模型（Object-Oriented model）

对于抽象数据类型：

抽象数据类型（ADT）是一个实现包括储存数据元素的存储结构以及实现基本操作的算法。在这个数据抽象思想中，数据类型的定义和它的实现是分开的，这在软件设计中是一个重要的概念。这使得只研究和使用它的结构而不用考虑它的实现细节成为可能。ADT包括数据数据元素，数据关系以及相关的操作。

抽象数据类型需要通过固有数据类型(高级编程语言中已实现的数据类型)来实现。抽象数据类型是与表示无关的数据类型，是一个数据模型及定义在该模型上的一组运算。对一个抽象数据类型进行定义时，必须给出它的名字及各运算的运算符名，即函数名，并且规定这些函数的参数性质。一旦定义了一个抽象数据类型及具体实现，程序设计中就可以像使用基本数据类型那样，十分方便地使用抽象数据类型。

比如C++中，string类通过对+、等号操作符重载，实现对字符串的拼接、相等性判断。而C中需要strXXX（a,b）

C++对象模型

书里介绍了三种的C++对象模式：简单对象模型、表格驱动对象模型、C++对象模型。

简单对象模型：一个object(对象)表是一系列的slots(表格中的一格，一个条目，内存中一块地方)，每个slot指向一个成员，成员按照声明顺序排列，成员包括数据成员和函数成员。这种方式object的存储区域只存放了一系列的“指针”分别指向每个member的位置。不把members直接存到object存储区域是为了避免不同member有不同的内存占用，而用“指针”的形势可以保证object的slots大小确定，并可通过索引确定每个member。这个模型并未使用，但保留了“指向成员的指针”观念。

这样的设计很简单，每个对象建立（实例化）的时候，根据class的声明可以快速建立出一个表，表内根据声明顺序存所有的函数、数据成员。但是对于一个class实例化两次应该就要建立两份，对于继承关系来说，子类的实例化后的slots中应该也重复包含了父类的slots。保证来设计简单，但在空间上、执行期效率上低。

执行期效率低：我想的是，多态的时候，子类用父类表示，那么父类没有子类那么多的member，需要重新建立一个映射索引？否则父类的pt[5]是第五个成员函数，但在子类的表中可能父类第五个成员函数已经成为的第8个，中间加了3个新的成员。而多重继承、虚函数的重写、出现继承串链将需要很多复杂操作。

表格驱动对象模型：一个object表只有两项分别指向两个表，一个指向Function Member Table存放所有成员函数的地址（只存地址），一个指向Member Data Table存放所有数据成员的实际值（存值）。这个模型未被使用，但将数据与函数分表存储的观念被保留。

应该也没解决有关多态的方式，对于成员函数表和简单对象模型是一样的，所以没有使用。

C++对象模型中：一个object表中有两类内容，第一类是所有的nonstatic data members非静态数据成员的值（注意是值）直接存在表中，非静态的所有每个实例之间不共用（如果有int* a;这样的成员，那么存储的也是值，因为指针也是个值，值的类型就是（int*）），第二类是指针，一个指针指向一个虚函数表（virtual table，vtbl），这个指针叫(vptr)，vptr的设定和重置由constructor、destructor以及copy assignment运算符自动完成。
对于静态数据成员、非静态/静态成员函数放在object表外侧。
虚函数表中存储所有虚函数的指针，每一个class所关联的type_info object（用以支持runtime type identification,RTTI）也存放在virtual table之中一般放在vtbl的第一个slot。

静态数据成员、非静态/静态成员函数：这几个都是同一个class中不同实例共用的，且不会在运行时改变（指向这些的指针不变），所以把他们放在了object外吧。对于静态数据成员，实际上是存放在全局区的（未初始化前在全局区临近区域）。这样object table中就不用建立指向他们的指针了，因为在class的内存区域（class声明）中已经有了这些成员的具体位置，但是这应该也会导致一次跳转，class声明的内存中找对应的指针。

type_info object，运行时特征，应该是永久记录着这个对象在构建时是什么类型吧，这样在多态变化过程中也可以做到“不忘初心”，猜想：在通过dynamic_cast进行向下转型时的安全检查可能就是查看这个吧。

该模型的优点是，它的空间和存取时间的效率较高；缺点：如果应用程序本身的代码未改变，而所用到的class object的nonstatic data members有所修改，那么应用程序的代码同样需要重新编译（因为内存分布发生了改变）。同时也付出了空间和执行效率的代价（通过vptr先跳转到vtbl然后才能找到virtual，对于静态数据成员、非静态/静态成员函数我认为也是通过指针找到的，因为没有直接存在object table中，也就是只有nonstatic data members是直接访问，其他都要跳一次）

继承

public继承，对于出现多态（对virtual function重写），修改vtbl中的指针即可。

虚拟继承：不管base class在继承串链中被派生多少次，永远只会存在一个实例。如iostream中，iostream多重继承了ostream/istream，ostream/istream虚拟继承了ios，所以实例化iostream时只有一个ios实例。

也就是说每个object中还存了一个virtual base class table的表？或者或有一个表存了所有父类object的指针，这样才能避免重复的占用空间，也就导致了(“间接性”的级数将因为继承的深度而增加)

只有通过pointer、reference方式才可支持多态：
class B:classA {}
A a;//a是A
B b;//b是B
A c=b;//b被改成A类型，内容也是只有A了，不会在有B的内容。B重写A的方法，用c是调A的方法，因为不是引用或指针。译注：这会产生sliced切割。b原始是B类型占用空间大于c的A类型空间，多出的内容会被舍弃，但一个object的存储是先存储base object，逐级存储后续object，因此并不影响c调用A的方法。
A &d=b;//d还是B类型，调用还是B类型的方法内容，但无法调用B特有的方法，因为当做A类型来用了
A *e=b;//同上