【C++】深度探索C++对象模型之Function语意学

一、Member的各种调用方式

1. Nonstatic Member Functions

首先给出nonstatic member function 和 nonmember function

float magnitude3d( const Point *_this ) { ... } // nonmember function
float Point3d::magnitude3d() const { ... } // nonstatic member function

对于C++中class中的非静态成员函数，都会转化成对等的 “ nonmember 函数实例 ”， 也就是

float magnitude3d( const Point3d* _this ) {
    return sqrt( _this->x * _this->x + 
                     _this->y * _this->y +
                     _this->z * _this->z );
}

上式就是通过对 nonstatic member function

float Point3d::magnitude3d() const { ... } // nonstatic member function

改写成nonmember function的过程。转化步骤如下：

1. 改写函数的原型以安插一个额外的参数到member function中，此例为_this指针。以及const nonstatic member
2. 对每个“nonstatic data member的存取操作” 改成this指针来存取，也就是 _this->x 等
3. 将member function重新写成一个外部函数。 也就是对上式改写成类似

     extern magnitude__7Point3dFv( register Point3d *const this );

        调用操作抑由 obj.magnitude() 改写成 magnitude__7Point3dFv( &obj );

        而 ptr->magnitude() 改写成 magnitude__7Point3dFv(ptr) ;

上述经过named return value函数的内部转化还没被改写成

void normalize_7Point3dFv( register const point3d *const this, Point3d &__result )
{
    register float mag = this->magnitude();
    _result.Point3d::Point3d( this->x_mag, this->y_mag, this->z_mag );
    return;
}

名称的特殊处理

对于member的名称，一般前面会加上class名称，以形成独一无二的命名。 也就是mangling 手法来提供独一无二的名称。

Name mangling 就是通过内部的编码对函数名称申明唯一的实例。

如果名称不一致，会导致编译器在链接时期因无法决议而失败，也就是确保类型安全的链接行为。

2. virtual Member funtions

如果normalize()是一个virtual member function，那么以下调用

ptr->normalize();

会被转换为：

(* ptr->vptr[1])( ptr );

• vptr即指向virtual table的指针
• 1是virtual table slot的索引值，也就是指向virtual table上的哪个函数的下标，这里是关联到normalize
• 第二个ptr表示this 指针。

3. static member function

如果 Point3d::normalize()是一个static member function， 那么以下调用:

obj.normalize();
ptr->normalize();

一般都会转化为以下nonmember函数的调用，也就是

// obj.normalize();
normalize_7Point3dSFv();
// ptr->normalize();
normalize_7Point3dSfv();

在引入static member function之前，C++要求所有的成员函数必须由class的object来调用

而实际上，只有当一个或者多个nonstatic data member在member function中被直接存取时，才需要class object。这个this指针绑定着object对应的member之上。

因此，如果class的设计者，把static data member声明为nonpublic，那么就必须提供一个或多个member function来存取该member。因此可以不靠class object来存取一个static member，但其存取函数却得绑定于一个class object之上。

如果希望支持“没有 class object 存在”，那么程序的解决之道是把0强制转化为一个class指针，因而提供一个this指针实例。

object_count( (Point3d*) 0);

static member function 的主要特性是没有this 指针，其余特性如下：

• 它不能直接存取其class中的nonstatic members
• 它不能被申明为const ， volatile 或者 virtual
• 它不需要经由class object才被调用。

【如果取一个static member function的地址，获得的讲师其在内存中的位置，也就是其地址。】

【由于static member function没有this指针，所以其地址类型并不是一个“指向class member function的指针”，而是一个“nonmember 函数指针”。】

也就是说调用

&Point3d::object_count();

获取的是

unsigned int(*) ();

而不是

unsigned int( Point3d::* ) ();

因此static member function的好处是成为一个callback函数，也可以应用于线程threads之上。

二、virtual member function

在C++中，多态（polymorphism）表示：以一个public base class的指针（或reference），寻址出一个derived class object。

比如：

Point *ptr;
ptr = new Point2d;   //寻址出一个Point2d的对象
ptr = new Point3d;   //寻址出一个Point3d的对象

欲鉴定哪些classes展现多态特性，我们需要额外的执行期信息，因此识别一个class是否支持多态的唯一适当方法，是看看是否含有virtual function。

virtual function的一般实现模型：每一个class有一个virtual table，内含class之中有作用的virtual function的地址。然后每个object都有一个vptr，指向virtual table的所在。

为了支持virtual function的机制，必须首先对于多态对象有某种形式的“执行期类型判断法（runtime type resolution）”。

假如有例子如下：

Point *ptr1, *ptr2;
ptr1 = new Point2D;
ptr2 = new Point3D;
ptr1->z();

其中z()是一个virtual function， 为了在执行期调用正确的z(), 需要知道

• ptr所指对象的真实类型
• z()实例的位置

所以在实现上，我们需要为每一个多态的class object增加两个members

• 一个字符串或数字，表示class的类型
• 一个指针，指向某表格，表格中有程序的virtual function的执行期的地址。

    注意，上述所说的地址在程序执行之后，表格的大小和内容都不会改变。

如何寻址？

• 为了找到表格，每一个class object被安插了一个由编译器内部产生的指针，指向该表格
• 为了找到函数地址，每一个virtual function被指派一个表格索引值。

每一个class只会有一个virtual table， virtual table的存储内容？

每一个table内含其对应的class object中所有active virtual function函数实例的地址， 包括：

• class所定义的函数实例，overriding可能存在的base class virtual function的函数实例
• 继承自base class的函数实例。即derived class决定不改写virtual function时才出现的情况
• pure_virtual_called()函数实例，扮演pure virtual function的空间保卫者角色，也可以当做执行期异常处理函数。

每一个virtual function都被指派一个固定的索引值也就是slot，这是为了索引在上述所说的active virtual function在virtual table中的编号或者地址。

在单一继承中，一般每个上述的active virtual function的实例在virtual table中的布局的slot是一致的。所以对于调用

ptr->z();

以上信息足够使得编译器将调用转化为：

(*ptr->vptr[ 4 ])(ptr);

唯一在执行期才能够知道的东西是：slot 4到底是指向哪个z()的实例。

1. 多重继承下的virtual function

假设我们有以下的继承关系：

class Derived : public Base1, public Base2;

其中三个类中分别有虚析构函数，成员函数mumble(), 以及对应对象的clone()函数。如Base2

virtual ~Base2();
virtual void mumble();
virtual Base2 *clone() const;

当执行下述语句时：

Base2 *pbase2 = new Derived;

此时新的Derived对象的地址必须调整以指向其Base2 subobject。编译器会产生以下代码：

Derived *temp = new Derived;
Base2 *pbase2 = temp ? temp + sizeof(Base1) : 0;

而当程序删除pbase2所指的对象时，如

delete pbase2;

此时指针将会再次被调整，以指向Derived对象的起始处。上述的offset的加法在编译时期不能直接设定，因此pbase2所指的真正对象只有在执行期才会确定。

在多重继承下，一个derived class内含n-1个额外的virtual table，n表示其上一层base classes的个数。派生类的虚函数表是与基类共享的，所以有几个基类，就会有几个虚函数表，其中第一个虚函数表是派生类最最左的基类共享的。
问题：符号名称的链接很慢，如何解决？

      --> 为了调节链接器的效率，就把多个virtual table连锁成一个。指向次要表格的指针由主要表格的指针加上一个offset-->因此最终每个class只有一个具名的vtable。

2. 虚拟继承下的virtual Functions

假如：

class Point3d : public virtual Point2d

则面对于Point3d的virtual function的布局而言。

Virtual Table Point3d的第一个值是一个offset to virtual base，指向Point2d subobject。 而在Point2d subobject中则有另一个vptr指向Virtual table Point2d subobject of Point3d。

参考：

深度探索C++对象模型，侯捷，  第四章 Function语意学