第三章 - Data 语意学

• 第三章 - Data 语意学
• 概述
  • Data Member的绑定(The Binding of a Date Member)
  • Data Member 的布局(Data Member Layout)
  • Data Member 的存取
    • Static Data Members
    • Nonstatic Data Members
  • “继承” 与 Data Member
    • 只需要继承不要多态(Inheritance without Polymorphism)
    • 加上多态(Adding Polymorphism)
  • 多重继承（Multiple Inheritance）
  • 虚拟继承（Virtual Inheritance）
  • 对象成员的效率（Object Member Effciency）

概述

//sizeof X == 1
class X{}

即使一个类什么内容都没有，它有隐藏的1byte大小，是被编译器安插进去的一个char, 这使得这一class的两个objects得以在内存中配置独一无二的地址。

Y和Z的大小受到三个因素的影响：

1. 语言本身所造成的额外负担。支持虚基类，需要引入vptr。
2. 编译器对于特殊情况所提供的优化处理。Virtual base class X subobject的1 bytes大小也出现在 class Y 和 Z 身上。
3. Alignment 的限制。字节对齐，Y和Z目前是5 bytes，需要填补3 bytes，最终结果是8 bytes。

对象布局如下：

Empty virtual base class已经成为C++OO设计的一个特有术语了，它提供一个virtual interface，没有定义任何数据。某些新近的编译器对此提供了特殊处理。在这个策略之下，一个empty virtual base class被视为derived class object最开头的一部分，也就是说它并没有花费任何的额外空间。

如果Virtual base class X中放置一个以上的data member，两种编译器（有特殊处理 和 没有特殊处理）就会产生出完全相同的对象布局。

C++对象模型尽量以空间优化和存取速度优化的考虑来表现non static data members，并且保持和c语言struct数据配置的兼容性，它把数据直接存放在每 一个class object之中。对于继承而来的non static data members（不管是virtual或non virtual base class)也是如此。不过并没有强制定义其间的排列顺序。

Data Member的绑定(The Binding of a Date Member)

抛砖引玉：

extern float x;

class Point3d
{
    public:
        Point3d(float,float,float);
        float X() const { return x; }
        void X(float new_x) const { x = new_x; }
        //...
    private:
        float x, y, z;
};

Point3d::X() 返回的是class内部的x，还是外部extern的那个x。现在指向class内部的x，但是早期C++编译器是指向外部extern的那个x。从而引出早期C++的两种防御性程序设计风格。

1. 把所有的data members放在class声明起头处，以确保正确的绑定。

class Point3d
{
        float x, y, z;
    public:
        float X() const { return x; }
};

2. 把所有的 inline functions 不管大小放在class声明之外。

inline float Point3d::X() const { return x; }

备注：类成员函数，在类体内部（类定义头文件中）定义的函数默认就是内联函数。

一个inline函数实体，在整个class声明未被完全看见之前，是不会评估求值的。

绑定：

上述这种语言状况，仍然需要某种防御性程序风格**：请始终把“nested type声明”放在class的起始处**，在上述例子中，如果把length的nested typedf定义于“在class中被参考”之前，就可以确保非直觉绑定的正确性。

Data Member 的布局(Data Member Layout)

目前各家编译器都是把一个以上的access sections连锁在一起，依照声明的顺序，成为一个连续区块，Access sections的多寡并不会招来额外负担。例如在一个section中声明8个members，或是在8个sections中总共声明8个members，得到的object大小是一样的。

Data Member 的存取

Static Data Members

Static Data Members 并不在class object之中，因此存取Static Data Members并不需要通过class object。

如果多个class 有同样的Static Data Members，可以采用名字修饰(Name Mangling)，以获得独一无二的程序识别代码。

Nonstatic Data Members

每一个nonstatic data member的偏移量（offset）在编译时期即可获知，甚至如果member属于一个base class subobJect（派生自单一或多重继承串链）也是一样。因此，存取一个nonstatic，其效率和存取一个c struct member或一个nonderived class的member是一样的。

Point3d *pt;
Point3d origin;
//...
origin.x = 0.0;
pt->x = 0.0;

执行效率在是一个struct member、一个class member、单一继承、多重继承的情况下都完全相同。但如果是一个virtual base class的member，存取速度会比较慢一点。

如果使用origin就不会有这些问题，其类型无疑是3Point3d，而即使它继承自virtual base class，members的offset位置也在编译时期就固定了，一个积极进取的编译器甚至可以静态地经由origin就解决掉对x的存取。

“继承” 与 Data Member

在大部分编译器上头，base class members总是先出现，但属于virtual base class的除外。

只需要继承不要多态(Inheritance without Polymorphism)

Point3d object的初始化操作或加法操作，将需要部分的Point2d object和部分的Point3d object作为成本。一般而言，选择某些函数做成inline函数，是设计class时的一个重要课题。

把一个class分解为两层或更多层，有可能会为了表现class体系之抽象化而膨胀所需的空间

以Concrete为例：

其对象布局如下：

加上多态(Adding Polymorphism)

如果处理坐标点时，不考虑是Point2d 或 Point3d 实例，则需要在继承关系中提供一个 virtual function接口：

Point3d 的新声明：

void operator+=(const Point2d& rhs)
{
    Point2d::operator+=(rhs);
    _z += rhs.z(); 
} 

这样就可以实现 Point2d 和 Point3d 的加法。

把vptr放在class object的哪里比较好：

早期时将vptr放在class object的尾端，随着开始之初虚拟继承以及抽象基类等，某些编译器开始将vptr放在class object的头部。

多重继承（Multiple Inheritance）

多重继承的复杂度在于 derived class 和 其上一个base class乃至上上一个base class之间的非自然关系。

DETAILS

class Point2d{
	public:
		// ... 有
	protected:
		float _x, _y;
};

class Point3d : public Point2d{
	public:
		// ... 有
	protected:
		float _z;
};

class Vertex{
	public:
	protected:
		Vertex *next;
};

class Vertex3d : 
	public Point3, public Vertex{
	public:
	protected:
		float mumble;
};

多重继承关系图：

成员的位置在编译时就固定了，因此存取成员只是一个简单的offset运算，就像单一继承一样简单——不管是经由指针、引用还是对象来存取。

虚拟继承（Virtual Inheritance）

多重继承的一个副作用是，他必须支持某种形式的shared subobject继承。比如：

class ios{};
class istream : public ios{};
class ostream : public ios{};
class istream : 
	public istream, public ostream {};

不管istream还是ostream都内含一个ios subobject。然而在iostream的对象布局中，我们只需要单一一份ios subobject就好。解决方法是引入虚拟继承:

class ios{};
class istream : public virtual ios{};
class ostream : public virtual  ios{};
class istream : 
	public istream, public ostream {};

虚拟继承技术要求必须能够找到一个有效的方法：

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，并且还可以保存基类和派生类的指针(或者引用)之间的多态指定操作。

一般的实现方法如下：

• 类如果内含一个或多个虚基类子对象，将被分割成两部分：一个不变区域和一个共享区域。
• 不变区域中的数据，不管后继如何演化，总是有固定的偏移量(从对象的开头算起)，所以这一部分的数据可以被直接存取。
• 共享区域表现的就是虚基类子对象。这部分的数据，其位置会因为每次的派生操作而变化，所以它们只可以被间接存取。

一般的布局策略是先安排好派生类的不变部分，然后再建立其共享部分。

怎么存取类的共享部分呢？

cfront编译器会在每一个派生类对象中安插一些指针，每一个指针指向一个虚基类要存取继承到的虚基类成员，可以用指针间接完成。

这个实现模型有两个缺点：

• 每一个对象必须针对每个虚基类背负一个额外的指针。然而理想上我们却希望类对象有固定的负担，不因为其虚基类的数目而变化。这应该怎么解决呢？
  • 引入虚基类表。每一个类对象如果有虚基类，就会由编译器安插一个指针，指向这个虚基类表。
  • 在虚函数表中放置虚基类的偏移量。
• 由于虚拟继承串链的加长，导致间接存取层次增加。比如如果有3层虚拟衍化，就需要3次间接存取(经由三个虚基类指针)。然而理想上我们希望有固定的存取时间。这应该怎么解决呢？
  • 拷贝所有的nested virtual base class指针，放到派生类对象中。这就解决了“固定存取时间”的间隔，虽然付出了一些空间上的代价。

一般来说，虚基类最有效的一种运用形式是：一个抽象的虚基类，没有任何数据成员。

对象成员的效率（Object Member Effciency）