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深度探索C++对象模型之data语意学

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第3章：Data语意学

The size of class

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class X
{
    // char c; // 此时, sizeof(X) == 1, sizeof(Y) == 8, sizeof(Z) == 8, sizeof(A) == 16
    char c; // 此时, sizeof(X) == 1, sizeof(Y) == 16, sizeof(Z) == 16, sizeof(A) == 24
};
class Y : public virtual X { };
class Z : public virtual X { };
class A : public Y, public Z { };

一个类的大小主要受三个因素的影响：

  1. 语言支持的特性所造成的负担

    比如，含虚函数的类会额外多一个vptr指针，含virtual base class会再多一个额外的指针（它或者指向virtual base class subobject，或者指向一个相关表格；表格中存放的若不是virtual base class subobject地址，就是其偏移量）。

  2. 编译器对于特殊情况所提供的优化处理

    现代编译器的对于空基类的优化处理：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。因为既然有了members，就不需要原本为了empty class而安插的一个char。

  3. alignment（内存对齐）

    就是将数值调整到某数的整数倍。在64位计算机上，通常alignment为8 bytes，以使bus的“运输量”达到最高效率。

nonstatic data members放置的是“个别的class object”感兴趣的数据，static data members则放置的是“整个class”感兴趣的数据。

static data members被放置在程序的一个global data segment中，不会影响个别的class object的大小。在程序之中，不管该class被产生出多少个objects（经由直接产生或间接派生），static data member永远只存在一份实体（即使该class没有任何object实体，其static data members也已存在）。

3.1 data member的绑定

类成员函数的argument list中的名称会在它们第一次遭遇时被适当地决议（resolved）完成。因此在extern和nested type name之间的非直觉绑定操作还是会发生。例如在下面的程序片段：

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typedef std::string length;

class Test
{
public:
    // 参数列表中的 length 被决议成 std::string!!!
    // 里面的 val_ 被正确决议成 int
    void setVal(length val)
    {
        val_ = val;
    }

private:
    typedef int length;
    length val_;
};

所以这需要使用防御性的程序风格：将nested type name写在class的起始处！

3.2 数据成员的布局

下面这个template function，接受两个data member，然后判断谁先出现在class object之中。如果两个member都是不同的access sections中的第一个被声明者，此函数就可以用来判断哪一个section先出现：

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template<class class_type, class data_typel, class data_type2>
std::string access_order(data_type1 class_type::* mem1, data_type2 class_type::* mem2)
{
    assert(mem1 != mem2);
    return mem1 < mem2 ? "member 1 occurs first" : "member 2 occurs first";
}

上述函数可以这样被调用：

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access_order(&Point3d::y, &Point3d::z);
3.3 data member的存取

static data member

对于类中的静态数据成员，通过一个指针和通过一个对象来存取，效率完全相同，不论这个静态数据成员经过了多么复杂的继承体系。

若取一个static data member的地址不会得到指向其class member的指针（不是value_type class_type::*类型）。而是指向其数据类型的指针（类型为value_type*）。

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class Point
{
public:
    static int x;
    void func1()
    {
    }
    static void func2(int a)
    {
    }
};
int Point::x = 0;

int main()
{
    auto p = &Point::func1; // p 的类型是 void (Point::*p)()
    auto q = &Point::func2; // q 的类型是 void (*q)(int a)
    auto p = &Point::x;		// r 的类型是 int* r
}

构造函数不能是静态成员函数：如果构造函数是静态成员函数，那么将不能访问非静态变量，也没办法完成初始化的工作。

non static data member

对于类中的非静态数据成员，通过一个指针和通过一个对象来存取，当此数据成员属于继承而来的virtual base class时，使用指针效率较低。如果使用对象直接存取，就不会有这些问题，其类型无疑是确定的，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。

欲对一个nonstatic data member进行存取操作，编译器需要把class object的起始地址加上data member的偏移量。举个例子：

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

请注意其中的-1操作。指向data member的指针，其offset值总是被加上1，这样可以使编译系统区分出是用以指出class的第一个member还是没有指出任何member的两种情况。

3.4 C++对象布局

  1. 个别struct的数据布局

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  2. 单一继承而且没有virtual function时的数据布局

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  3. C++语言保证——出现在derived class中的base class subobject有其完整原样性

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  4. 单一继承并含虚拟函数情况下的数据布局

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  5. 多重继承

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  6. 虚拟继承，使用pointer strategy和virtual table offset strategy

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3.5 指向data member成员的指针

取一个nonstatic data member的地址，将会得到它在class中的offset（指针类型为data_type class_type::*），取一个“绑定于真正class object身上的data member”的地址，将会得到该member在内存中的真正地址（指针类型为data_type*）。