深度探索C++对象模型之function语意学

第4章：Function语意学

4.1 静态成员函数

function的调用方式

nonmember function、static member function、nonstatic member function的调用效率完全一样，因为，在内部都被编译器处理成相同的形式。而virtual member function的调用需要通过vptr所指向的virtual table，因此，效率有所降低。

static member function的主要特性就是它没有this指针。以下的次要特性统统根源于其主要特性：

• 它不能够直接存取其class中的nonstatic members；
• 它不能够被声明为const、volatile或virtual；
• 它不需要经由class object才被调用——虽然大部分时候它是这样被调用的。

若取一个static member function的地址不会得到指向其class member function类型的指针（不是return_type (class_type::*)(parameter_types)）。而是一个non-member函数指针（类型为return_type (*)(parameter_types)）。

4.2 虚拟成员函数

在C++中，多态表示以一个指向public base class类型的pointer或reference，寻址出一个derived class object的意思。多态机能体现在通过pointer或reference对虚函数的调用身上。因此，识别一个class是否支持多态，唯一适当的方法就是看看它是否有任何virtual function。

为了支持多态，需要在执行期决议出正确的virtual function实例，这需要如下执行期信息的支持：

1. 它所引用的对象的地址，也就是当前它自身的值；
2. 所引用对象的真实类型。这可使我们选择正确的虚函数所在的实体；
3. virtual function实体位置，也就是函数地址，以便我能够调用它。

在实现上，在每一个多态的class object身上增加两个member：

1. 一个字符串或数字，表示class的类型；
2. 一个指针，指向某表格，表格中带有程序的virtual function的执行期地址。

virtual function的地址是固定不变的，执行期不可能新增或替换，而表格的大小和内容在执行期不会改变，因此其建构和存取皆在编译期就可以完成。

为了找到virtual function的地址，需要：

1. 为了找到表格，每一个class object被安插上一个由编译器内部产生的指针，指向该表格；
2. 为了找到函数地址，每一个virtual function被指派一个表格索引值。

这些工作都由编译器完成。执行期要做的，只是在特定的virtual table slot（记录着virtual function的地址）中调用virtual function。这些virtual function可以是：

1. 这个class所定义的函数实体。它override了一个base class virtual function函数实体；
2. 继承自base class的函数实体。这是在derived class中决定不override的virtual function时的情况；
3. 一个pure_virtual_called()函数实体。它既可以扮演pure virtual function的空间保卫者角色，也可以当做执行期异常处理函数（有时候会用到）。

单一继承

例如，对于如下的单一继承体系：

virtual destriucior被赋值slot 1，而mult()被赋值slot 2。此例并没有mult()的函数定义，因为它是一个pure virtual function，所以pure _virtual_called()的函数地址会被放在slot 2中。如果该函数意外地被调用，通常的操作是结束掉这个程序。y()被赋值slot 3而z()被赋值slot 4。x()没有slot，因为x()并非virtual function。

此时，一共有三种可能性：

1. 它可以继承base class所声明的virtual function的函数实体。正确地说，是该函数实体的地址会被拷贝到derived class的virtual table相对应的slot之中；
2. 它可以使用自己的函数实体。这表示它自己的函数实体地址必须放在对应的slot之中；
3. 它可以加人一个新的virtual function。这时候virtual table的尺寸会增大一个slot，而新的函数实体地址会被放进该slot之中。

Point2d的virtual table在slot 1中指出destructor，而在slot 2中指出mult()取代pure virtual function。它自己的y()函数实体地址放在slot 3，继承自Point的z()函数实体地址则放在slot 4。

类似的情况：

Point3d的virtual table中的slot 1放置Point3d的destructor，slot 2放置Point3d::mult()函数地址。slot 3放置继承自Point2d的y()函数地址，slot 4放置自己的z()函数地址。

这个继承体系中的三个类的virtual table布局如下所示：

现在，如果我们有这样的式子:

ptr->z();

那么，我如何有足够的知识在编译时期设定virtual function的调用呢？

1. 一般而言，我并不知道ptr所指对象的真正类型。然而我知道，经由ptr可以存取到该对象的virtual table；
2. 虽然我不知道哪一个z()函数实体会被调用，但我知道每一个z()函数地址都被放在slot 4。

这些信息使得编译器可以将该调用转化为：

(*ptr->vptr[4])(ptr);

在一个单一继承体系中，virtual function机制的行为十分良好，不但有效率而且很容易塑造出模型。但是在多重继承和虚拟继承之中，就呵呵了。

多重继承和虚拟继承

懒得总结了，看是看懂了，乱七八糟的！

4.3 指向Member Function的指针

取一个nonstatic member function的地址，如果该函数是nonvirtual，则得到的结果是它在内存中真正的地址。然而这个值也是不完全的，它也需要被绑定于某个class object的地址上，才能够通过它调用该函数（以参数this指出）。

回顾一下，一个指向member function的指针，其声明语法如下：

double (Point::*pmf)();

然后我们可以这样定义并初始化该指针：

double (Point::*coord)() = &Point::x;

也可以这样指定其值：

coord = &Point::y;

想调用它，可以这么做：

(origin.*coord)();
// 或
(ptr->*coord)();

这些操作会被编译器转化为：

(coord)(&origin);
// 和
(coord)(ptr);

获得该函数在内存中的地址。然而面对一个virtual function，其地址在编译时期是未知的，所能知道的仅是virtual function在其相关之virtual table中的索引值，也就是说，对一个virtual member function取其地址，所能获得的只是一个索引值。

那么问题来了，假设我们有以下的Point声明：

class Point
{
public:
    // ...
    virtual ~Point();
    virtual float z();
};

取z()函数的地址得到的索引值是2，而不是函数地址。

float (Point::*pmf)() = &Point::z;
Point *ptr = new Point3d;

那么如果通过pmf来间接调用z()函数的话：

(ptr->*pmf)();

// 转化为

(*ptr->vptr[(int)pmf]5(ptr);

那么如何知道pmf指向的是virtual function还是nonvirtual function，毕竟pmf如果对nonvirtual function取地址的话得到的是在内存中的地址。也就是说，pmf的内部定义需要允许该函数能够寻址出nonvirtual和virtual两个member function。

同时为了让执行member function的指针也能支持多重继承和虚拟继承，实现方法为使用一个结构体：

// 用以支持在多重继承之下指向 member function 的指针
struct __mptr
{
    int delta;
    int index; // virtual 函数 在 virtual table 的索引, 当 index 不指向 virtual table 时值为 -1
    union
    {
        ptrtofunc faddr; // nonvirtual 函数的地址
        int voffset;
    };
};

在这样的模型下：

(ptr->*pmf)();

// 转化为

(pmf.inidex < 0) ? (*pmf.faddr)(ptr) : (*ptr->vptr[pmf.index](ptr));

4.4 inline函数