C++對象模型

何為C++對象模型？

1. 語言中直接支持面向?qū)ο蟮牟糠?br />

2. 對于各種支持的底層實現(xiàn)機(jī)制

語言中直接支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的部分，如構(gòu)造函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)，虛函數(shù)，繼承（單繼承，虛繼承）、多態(tài)等等。

在C語言中，數(shù)據(jù)和處理操作是分開來聲明的，也就是說，語言中沒有支持“數(shù)據(jù)和函數(shù)”之間的關(guān)聯(lián)性，在C++中，通過抽象數(shù)據(jù)類型（abstract data type,ADT）,在類中定義數(shù)據(jù)和函數(shù)，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)和函數(shù)的直接綁定。

概括來說，在C++類中有兩種成員數(shù)據(jù)：static，nonstatic；三種成員函數(shù)：static， nonstatic， virtual。

如下面定義Base類

Base類定義：
#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
class Base
{
public:
Base(int);
virtual ~Base(void);

int getIBase() const;
static int instanceCount();
virtual void print() const;

protected:

int iBase;
static int count;
};

Base類在機(jī)器中是如何構(gòu)建出各種成員數(shù)據(jù)和成員函數(shù)呢？

基本C++對象模型

有兩種，簡單對象模型和表格驅(qū)動模型

所有相同的成員占用的空間（跟類型無關(guān)），對象只是維護(hù)了一個包含成員指針的一個表。表中放的是成員地址，無論是成員變量還是成員函數(shù)，都是這樣處理。對象并沒有直接保存成員而是保存了成員的指針。

表格驅(qū)動模型

這個模型在簡單模型基礎(chǔ)上又填了間接層。將成員分成函數(shù)和數(shù)據(jù)，并且用兩個表格保存，然后對象只保存了兩個指向表格的指針，這個模型可以保證所有對象具有相同的大小，比如簡單對象模型還與成員個數(shù)有關(guān)，其中數(shù)據(jù)成員表中還包含實際數(shù)據(jù)；函數(shù)成員表中包含實際函數(shù)地址（與數(shù)據(jù)成員相比，多一次尋址）

C++對象模型

這個模型結(jié)合表格驅(qū)動模型總的特點(diǎn)，并對內(nèi)存存取和空間進(jìn)行了優(yōu)化。在此模型中，nostatic數(shù)據(jù)成員被放在對象內(nèi)部，static數(shù)據(jù)成員，static和nonstatic函數(shù)成員均被列到對象之外，對于虛函數(shù)的支持則分成兩步完成

1. 每一個class產(chǎn)生一堆指向虛函數(shù)的指針，放在表格中。這個表格稱為虛函數(shù)表。
   

2. 每一個對象被添加一個指針，指向相關(guān)函數(shù)的vtbl。通常這個指針被稱為Vptr。vptr的設(shè)定和重置都有每個class的構(gòu)造函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)和拷貝賦值運(yùn)算符自動完成。

3. 另外，虛函數(shù)表地址的前面設(shè)置了一個指向type_info的指針，RTTI運(yùn)行時類型識別是由編譯器在編譯期生成的特殊類型信息，包括對象繼承關(guān)系，對象本身的描述，RTTI是為多態(tài)而生成的信息，所以只有具有虛函數(shù)的對象才會生成。
   

優(yōu)點(diǎn)：它的空間和存取時間的效率高。

缺點(diǎn)：如果程序本身未改變，但當(dāng)使用的類的nonstatic數(shù)據(jù)成員添加刪除或修改時，需要重新編譯

C++對象模型加入單繼承

不管單繼承多繼承還是虛繼承，如果基于“簡單對象模型”，每一個基類都可以被派生類中的slot指出，該slot內(nèi)包含基類對象的地址，這個機(jī)制主要缺點(diǎn)是，因為間接性而導(dǎo)致空間和存取時間上的額外負(fù)擔(dān)，優(yōu)點(diǎn)則是派生類對象的大小不會因為基類的改變而受影響。

無重寫的單繼承

//Derived類：
#pragma once
#include "base.h"

class Derived :
public Base
{
public:
Derived(int);
virtual ~Derived(void);
virtual void derived_print(void);

protected:
int iDerived;
};

Base、Derived的類圖

有重寫的單繼承

//Derived_Overwrite類：
#pragma once
#include "base.h"
class Derived_Overrite :
public Base
{
public:
Derived_Overrite(int);
virtual ~Derived_Overrite(void);
virtual void print(void) const;

protected:
int iDerived;
};

注：子類有函數(shù)重寫父類函數(shù)的情況 1.父類的虛函數(shù)在虛函數(shù)表的【前面】 2.子類的虛函數(shù)在虛函數(shù)表的【后面】 3.子類重寫父類的虛函數(shù)，替換父類對應(yīng)的虛函數(shù)，出現(xiàn)在虛函數(shù)表里【前面】

C++對象模型中加入多繼承

從單繼承可以知道，派生類中只是擴(kuò)充了基類的虛函數(shù)表。如果是多繼承的話，又是如何擴(kuò)充的呢？

1）每個基類都有自己的虛表

2）子類的成員函數(shù)放到了第一個基類的表中

3）內(nèi)存布局中，其父類布局一次按聲明順序排列

4）每個基類的虛表中的Print（）函數(shù)被overwrite成了子類的Print()。這樣做就是為了解決不同基類類型的指針指向同一個子類的實例，而能夠調(diào)用到實際的函數(shù)。

上面3個類，Derived_Mutlip_Inherit繼承自Base、Base_1兩個類，Derived_Mutlip_Inherit的結(jié)構(gòu)如下所示：

C++對象模型中加入虛繼承

虛繼承是為了解決重復(fù)繼承中多個間接父類的問題的，所以不能使用上面簡單的擴(kuò)充并為每個虛基類 提供一個虛函數(shù)指針（這樣做會導(dǎo)致重復(fù)繼承的基類會有多個虛函數(shù)表）形式。虛繼承的派生類的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，和普通繼承完全不同，虛繼承的子類，有單獨(dú)的虛函數(shù)表，另外也單獨(dú)保存一份父類的虛函數(shù)表，兩部分之間用一個四個字節(jié)的0x00000000來作為分界，派生類的內(nèi)存中，首先是自己的虛函數(shù)表，然后是派生類成員的數(shù)據(jù)，然后是0x0，之后就是基類的虛函數(shù)表，之后是基類數(shù)據(jù)成員。

如果派生類沒有自己的虛函數(shù)，那么派生類就不會有虛函數(shù)表，但是派生類數(shù)據(jù)和基類數(shù)據(jù)之間，還需要用0x0來間隔。因此在虛繼承中，派生類和基類的數(shù)據(jù)，是完全間隔的，先存放派生類自己的虛函數(shù)表和數(shù)據(jù)，中間以0x分界，然后保存基類的虛函數(shù)和數(shù)據(jù)，如果派生類重載了父類的虛函數(shù)，那么則派生類內(nèi)存中的基類虛函數(shù)表的相應(yīng)函數(shù)替換。

簡單虛繼承（無重復(fù)繼承）

簡單虛繼承的2個類Base、Derived_Virtual_Inherit1的關(guān)系如下所示：

Derived_Virtual_Inherit1的對象模型如下圖：

菱形繼承（含重復(fù)繼承、多繼承情況）

菱形繼承關(guān)系如下：

Derived_Virtual的對象模型如下圖：

注：虛基類的信息是獨(dú)立的，多繼承的布局和之前一樣

1.基類的虛函數(shù)表指針及數(shù)據(jù)成員按照繼承的排序序列【前面】

2.虛基類的信息與子類的信息使用0x00000000與子類分隔開來，虛基類函數(shù)表指針及數(shù)據(jù)成員【后面】

3.子類重寫所有基類（包含虛基類）的虛函數(shù)表對應(yīng)的函數(shù)

對象大小問題

三個類中的函數(shù)都是虛函數(shù)

●Derived繼承Base

●Derived_Virtual虛繼承Base

//測試對象大?。?void test_size()
{
Base b;
Derived d;
Derived_Virtual dv;
cout << "sizeof(b):\t" << sizeof(b) << endl;
cout << "sizeof(d):\t" << sizeof(d) << endl;
cout << "sizeof(dv):\t" << sizeof(dv) << endl;
}

輸出如下

因為Base類中包含虛函數(shù)指針，所有size為4,；Derived繼承Base,只是擴(kuò)充基類的虛函數(shù)表，不會新增虛函數(shù)表指針，所以size也是4，Derived-Virtusl虛繼承Base,根據(jù)前面的模型知道，派生類有自己的虛函數(shù)表及指針，并且有分隔符（0x00000000）然后才有虛基類的虛函數(shù)表等信息，故大小為4+4+4=12

數(shù)據(jù)成員是如何訪問的？

跟實際對象模型相關(guān)聯(lián)，根據(jù)對象地址+偏移量取得

靜態(tài)綁定與動態(tài)綁定

綁定：把函數(shù)體與函數(shù)調(diào)用相聯(lián)系稱為綁定

程序調(diào)用函數(shù)時，將使用哪個可執(zhí)行的代碼塊？編譯器負(fù)責(zé)回答這個問題，將源代碼中的函數(shù)調(diào)用解析為執(zhí)行特定函數(shù)代碼塊被稱為函數(shù)名綁定，在VC語言中，這非常簡單，因為每個函數(shù)名都對應(yīng)一個不同的額函數(shù)，在C++中，由于函數(shù)重載的緣故，這項任務(wù)復(fù)雜，編譯器必須查看函數(shù)參數(shù)以及函數(shù)名才能確定使用哪個函數(shù)，然而編譯器可以在編譯過程中完成這種綁定，這稱為靜態(tài)綁定，有稱為早起綁定。

然而虛函數(shù)使得這項工作變得困難，使用那個函數(shù)不是能在編譯階段確定的，因為編譯器不知道用戶選擇哪種類型。所以編譯器必須在程序運(yùn)行時選擇正確的函數(shù)代碼，這稱為動態(tài)綁定，又稱為晚期綁定。

使用虛函數(shù)是有代價的，在內(nèi)存和執(zhí)行速度方面是有一定成本的，包括：

●每個對象都將增大，增大量為存儲虛函數(shù)表指針的大??；

●對于每個類，編譯器都創(chuàng)建一個虛函數(shù)地址表；

●對于每個函數(shù)調(diào)用，都需要執(zhí)行一項額外的操作，即到虛函數(shù)表中查找地址。

雖然非虛函數(shù)比虛函數(shù)效率稍高，單不具備動態(tài)聯(lián)編能力。