关于对象——C++对象模式

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前言

 
在C++对象中，data member分为两种：

  1. static
  2. non-static

function member分为三种：

  1. static
  2. non-static
  3. virtual

已知Point class声明如下：

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class Point{
public:
    Point(float xval);
    virtaul ~Point();
    float x() const;
    static int PointCount();
protected:
    virtual ostream& print(ostream &os) const;
    float _x;
    static int _point_count;
};

我们应该以何种策略塑模出data member及function member？

简单对象模型

 
简单对象模型是了尽量降低C++编译器的复杂程度而开发出来的，并且因此付出了空间损耗增加与执行效率降低的代价。在这个简单模型中，一个object是一组slots，每一个slot指向了一个memeber：image_1ccagmliuke41hre8hg1ru1dcb9.png-64.7kB
在该简单对象模型中，member本身不并在对象内，仅有指向member的指针才位于对象内，这样保证了对象内部只需要存放一种数据类型：指针。显然，对象的大小等于member数量*指针大小。
尽管这种模型并不应用于实际生产，不过这种理念倒是被做成了某种设计手法：pimpl，或者Bridge设计模式。

表格驱动式对象模型

 
为了保证所有classes的objects均具有一致的表达方式，另一种对象模型的做法是：将所有与members相关的信息抽离出来，放在一个member data table与member function table之中。member data table直接持有数据，member function table则是一系列slots，每一个slots指向一个member function：image_1ccahehmvd6eeqqsd01qc18um.png-49.9kB
虽然这种模型也没有应用于直接生产，但member function table的观念却成为了支撑virtual function的一个有效方案。

C++对象模型

 

不考虑继承

C++对象模型由简单对象模型演化而来，并对内存空间及存储时间做出了优化。
在此模型中，non-static data members被配置于object之内，static data members则被存储于所有objects之外。static or non-static function members也都被存储于objects之外。
virtual function以两个步骤实现：

  1. 每一个clss产生一堆指向virtual functions的指针，用一个表格存放之，该表格也被成为虚函数表（vtbl）。虚函数表的第一个slot存放着当前class所对应的type_info object。（RTTI）
  2. 每一个object内部都存有指向vtbl的指针vptr，vptr的setting与resetting由构造、析构、拷贝赋值运算符自动完成。

image_1ccaikqsb150q9tr18s6e7gh0t13.png-58.5kB
该模型的优势主要在于空间与存储时间的效率，但缺陷也很明显：non-static data members一旦有所修改，应用程序就需要重新编译。在编译弹性方面，上一小节所提及的双表格模型就做的很好。

加入继承

C++支持单一继承与多重继承，甚至，继承关系也可以指定为virtual（可以理解为共享）：
image_1ccaj89ql1qrvmpd1f0v1bmk14a61g.png-14.6kB
在虚继承的情况下，base class无论在继承体系中被派生多少次，其永远只会存在一个实体（subobject），例如iostream中就只有一个virtual ios base class的实体。

derived class塑模base class实体

在简单对象模型中，每一个base class可以被derived class object内的slot指出，该体系的缺点是：因为间接性导致空间和存取时间需要额外开销，优点在于class object不会因其base class发生改变而受到影响。

base class table模型：base class table被产出后，表中的每一个slot内含一个base class地址，就如同vtbl内含virtual function的地址一般。每一个class含有一个bptr，指向其base class table。该体系的缺点在于：因为间接性导致空间和存取时间需要额外开销。优点在于每一个class object对于继承都有一致的表现方式：每一个class object的固定位置都有一个base table指针，与base classes的大小或数目无关。此外，无需改变class objects本身，就可以放大、缩小、或更改base class table。

下图展示了ios继承体系在base class table下的对象模型：image_1ccb2lsns1aulp3q1dth1dh0d299.png-228.8kB
不管哪一种对象模型，“间接性”总是随着继承体系深度的增长而增加，也就是存取操作的时间会增长。当然，derived class可以多放置一些指针，指向继承体系中的每一个base class，但这付出了空间成本。

C++最初采用的对象模型不具备任何间接性：base class subobject的data member被直接置于derived class中，这保证了高效存取，缺点在于base class一旦发生改动，整个继承体系都必须重新编译。
virtual base class的导入增加了间接性，其原始模型是在class objects中为每一个有关联的virtual base class加上一个指针。其他模型无非是两种情况：导入一个virtual base class table，又或者扩充vtbl，在其中放入virtual base class的地址。

对象模型如何影响程序

 
不同对象模型，会导致如下两个结果：

  1. 现有程序必须修改
  2. 必须加入新的程序

实例

假设现有class X，定义有copy constructor，virtual destructor，以及一个virtual function foo，考虑如下函数：

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X foobar(){
    X xx;
    X *px = new X;
    xx.foo();
    px->foo();
    delete px;
    return xx;
}

该函数可能会在内部被转化为：
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void foobar(X &_result){
    //构造_result并取代local xx
    _result.X::X();
    //转化new语句
    px = _new(sizeof(X));
    if(px)
        px->X::X();
    //执行非虚函数
    foo(&_result);
    //执行虚函数
    （*px->vtbl[2])(px);
    //转化delete语句
    if(px){
        (*px->vtbl[1](px));
        _delete(px);
    }
    //不需要摧毁local object xx
    return;
}

这就是对象模型将实际代码转化后的一个可能实例，其解释可见后续诸章，下图给出了部分注解：image_1ccb4gg0fogo1ee2fm6k1enrmm.png-250.6kB