深度探索C++对象模型<七>

发表于

The Semantics of Data

前言

一个类的大小主要受三个因素影响：

  • 语言本身带来的额外负担。比如如果是virtual base class，往往需要一个指针去指向某个virtual base class subobject；

  • 编译器的特殊处理。比如有些编译器会为一个空类（继承自另外一个空类）添加1个byte，但有些编译器会做出优化；

  • alignment。对齐；

另外需要注意的是，nonstatic data members也是放在类对象中，即使是继承而来的nonstatic data members也是一样，但static data members则放在程序的一个global data segment中

Data Member Layout

非静态成员变量在类的对象中的排列顺序与其声明顺序是一致的。

如果多个数据成员分布在不同的access session（public，private，protected）中，那么members的排列应该满足：较晚出现的成员应该在高地址，并且允许将多个access session连锁在一起，成为一个连续的区块，也就是你在一个session内声明8个变量，和在8个相同的session内声明8个变量对于内存布局是一样。

Data Member的存取

先抛出一个问题：

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Point3d origin, *pt = &origin;
origin.x = 0.0;
pt->x = 0.0;

分别通过指针和对象去读取，会有什么不同呢？

Static Data Members

如果是以这两种方式去读取静态成员，那么是一样的。因为都会转化成对唯一的实体进行直接操作，例如：

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//origin.chunkSize == 250;
Point3d::chunkSize == 250;

//pt->chunkSize == 250;
Point3d::chunkSize == 250;

由于静态数据成员是放在全局数据区，如果有两个类声明同名的静态数据成员，编译器会为每一个static data member进行唯一编码。

Nonstatic Data Members

这里需要注意的是，对一个非静态成员进行存取，编译器会通过把一个class object的起始地址加上data member的偏移量进行存取。

这里，如果是通过对象去存取成员变量，成员变量的偏移量会在编译时就已经得知，效率较高；

而如果一个类是派生类，其通过指针去存取它的成员变量，我们无法得知指针指向哪个class type，必须要等到运行时才确定下来，同时还要经历额外的间接导引才能找到那个数据成员。

继承与Data Members

考虑两个类Point2d, Point3d，如果一种组织方式是形成两个独立的类，另外一种的组织方式是形成继承链。那么会有声明不同。

Inheritance without Polymorphism

假如我们考虑Point3d继承自Point2d，但其中没有virtual functions，也就没有了额外的空间负担（vptr）。

但这种做法会带来的一个错误是，把一个class分解为多层，可能会带来的一个问题是抽象的结构会变得膨胀。例如：

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class Concrete {
public:
    //...
private:
    int val;
    char c1;
    char c2;
    char c3;
};

//分解成
class Concrete1 {
public:
    //...
private:
    char c1;
};

class Concrete2: public Concrete1 {
public:
    //...
private:
    char c2;
};

class Concrete1: public Concrete3 {
public:
    //...
private:
    char c3;
};

32位的机器下，对于第一种不分解的情况，类的空间大小为8bytes，而第二种情况，Concrete3变成了16bytes，因为自定义的数据类型是在继承得来的subject的padding后面进行补全的。所以就浪费了更多的padding空间。

另外一个容易出现的问题是，考虑这种情况：

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Concrete2 *pc2;
Concrete1 *pc1_1, *pc1_2;
pc1_1 = pc2;//另pc1_1指向Concrete2对象

//结果就是pc1_2指向的对象的成员变量可能会产生异常值
*pc1_2 = *pc1_1;

由于内存布局的不同，直接的复制操作执行的可能是复制一个一个的member，因此有可能会把原来的padding给覆盖掉。具体得看编译器如何实现，是把数据成员与concrete1的subject捆绑在一起，还是其它的实现。

Adding Polymorphism

如果继承链条（考虑一个point3d继承自point2d）中有虚函数，那么会带来如下的额外负担：

  • point2d会有一个相关联的virtual table，存放这每一个virtual function的地址，则table的元素数目与virtual function的数目相同，另外可能还有一些slots，用以支持run time identification

  • 为每一个class object提供一个vptr，在运行时能够找到virtual table的位置

  • 扩充constructor，使得其能够初始化vptr

  • 扩充destructor，能够摸消指向class相关的virtual table的vptr

关于vptr放在class object的位置有两种做法，一种是放在末端，为的是保留base class C struct的布局；另一种做法则是放在前端，带来的好处是不用在运行期测量出vptr的偏移量

Multiple Inheritance

对于多重继承，如果想要用父类的指针指向一个对象，那么在内存布局和指针的设置上会有更复杂的操作。

假如是这样的继承状态

img

其对象模型会有比较大的不同，与单一继承相比

img

这是因为，如果只是将地址赋予第一个base class会比较简单，和单一继承一样。因为两者指向相同的地址；如果是赋予第二个或者后续的base class的话，就需要修改地址，加上偏移位置。

Virtual Inheritance

虚拟继承的目的就是为了解决如何在派生类里维护一份基类的实体。

对于这样含有多个base class subject的类，会被分割为2个部分：不变局部和共享局部。由于共享局部拥有稳定的offset，可以直接存取；而对于共享局部，由于其位置会随着派生而变化，所以如何进行存取这部分的内容就成了一个难点。

一般来说，会先安排好不变局部，再去建立共享局部。而且编译器会在每一个派生类对象中安插指针,指向virtual base class。

这样就是通过派生类里面的指针去间接的索引共享部分的数据，但有所不同的是，有些编译器会优化使得存取时间和空间负担变得固定。