Data语义学——Data Member的存取

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前言

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Point3d origin;
origin.x = 0.0;

可能会有人好奇x的存取成本有多大，答案是视Point3d与x如何声明而定，x可能是一个static member或者nonstatic。Point3d可能是一个独立的class，也可能从另一个单一的base class派生而来，甚至可能是从多重继承或虚拟继承而来，下面将依次介绍这几种情况。
在探究之前，我们再次抛出一个问题：从object本身存取data member与从指向object的指针存取data member有何差异：

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

在本节结束前我们将回答这个问题。

static data members

 
Static data members被编译器提出于class之外，并被视为一个global变量（只在class生命范围之内可见）。每一个member的存取access level，以及与class的关联性，并不会导致任何空间或时间的额外负担。

指针存取与对象存取

每一个static data member仅具备一个实体，存放于程序的data segment之中，每次程序存取static member都会被编译器视为该extern实体的存取操作：

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

这是C++语言中“通过一个指针与直接操作对象存取member，效果完全一样”的唯一情况。造成这种情况的原因在于.操作符根本并没有进入object内部获取数据。如果该static data member从复杂继承关系中继承而来，并不影响这个结论的正确性，因为static data member仅仅具备一个实体，其存取路径不受任何继承关系影响。

函数调用存取

如果static data member的存取经由函数调用而被存取，如果我们写：

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foobar().chunkize=250;

调用foobar()时会发生什么？（foobar()的结果并不能改变static member，作者的意思在于查看编译器在此处是否存在优化）
在C++ pre-Standard规格中，ARM（Annotated Reference Manual）并未指定foobar()是否必须被evaluated。但C++ Standard明确要求foobar()必须被evaluated，虽然其结果并无用处：
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(void) foobar();//evaluate expression,discarding result
Point3d.chunkSize()=250;

名变换

若取一个static data member的地址，会得到一个指向其数据类型的指针，而不是一个指向其class member的指针，因为static member并不内含在一个class object之中,这一点十分显然。
但如果有两个classes，每一个都声明了一个static member freeList，那么当它们都置于程序的data segment内部时会出现名称冲突。编译器的解决方法是暗中对每一个static data member编码（name-mangling，名变换）。名变换具备两个特点：

  1. 每一种算法对应一种独一无二的名字
  2. 编译系统如果需要与开发者进行交互，这些名称可以被轻易推导回原有名称。

Nonstatic Data Members

 

Nonstatic Data Members与object

Nonstatic Data Members存在于class object内部，除非经由explicit/implicit class object，没有办法直接存取它们。只要我们试图在某个member function中直接处理一个nonstatic data member，那么implicit class object就一定会发生：

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void Point3d::translate(const Point3d &pt){
    x+=pt.x;
    y+=pt.y;
    z+=pt.z;
}

实质上这一系列操作都是通过this指针完成，其函数的真正表示形式大致如下：
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void Point3d::translate(point3d *const this,const Point3d &pt){
    this->x+=pt.x;
    this->y+=pt.y;
    this->z+=pt.z;
}

nonstatic data members的存取

如果需要对一个nonstatic data member进行存取操作，那么编译器需要获取当前object的地址，然后通过偏移量计算出data member的地址，举例而言：

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&origin+(&Point3d::_y-1);

-1操作是其中的重点。指向data member的指针，其offset的值总是被加上1，这样就可以让编译器区分出“一个指向data member的指针，用以指出class的第一个member”，以及“一个指向class object的指针”两种情况。

nonstatic data member与继承

每一个nonstatic data member的offset在编译期间便已得知，甚至如果member属于一个base class subobject也是一样，因此，存取一个nonstatic data member的效率等价于存取一个C struct member或一个nonderived class的member。

虚继承

虚继承为数据的存取导入了一层间接性，例如：

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Point3d *pt3d;
pt3d->_x = 0.0;

如果_x是一个virtual base class的member，存取速度相较于其他情况要慢一点，其具体原因可见后续章节（继承对于对象布局的影响）。

我们回到本节一开始时提出的问题：通过对象存取与通过指针存取有多大的差别？

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origin.x = 0.0;
pt->x = 0.0;

如果继承体系中存在一个virtual base class，且被存取的member是一个从virtual base class继承得到的member时，上述两种写法存在较大差异。因为在此时我们无法确定pt必然指向哪一种class type（因此我们也就不知道编译期这个member真正的offset），因此该存取操作必然需要被延后到执行期，经由一个额外的间接引导。但如果使用对象则不存在这种问题，因为静态类型早已绑定，其offset也早已在编译期确定。一个优秀的编译器甚至能够静态地经由origin解决对x的存取。