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[读书笔记] 深入探索C++对象模型-第三章 Data语义学(中)

继续整理第三章的内容(以下部分图片来自于原书):

1. 在只有继承没有多态的情况下,子类是的内容就是父类加上子类特有的数据成员,例如,对于如下两个类,Point2d和Point3d,后者公有继承自前者,此时的数据布局如下所示:

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在某些情况下,把一个类分解成多层,可能会导致类所占用空间的膨胀,例如,如下类,算上对齐操作大小为8 (4 + 1 + 1+1 +(1对齐)):

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而如果相同的数据(val,c1,c2,c3),被分散的放入继承体系之中,现在一个包含所有这些数据的类Concrete3的大小就膨胀到了16,这是因为上面的无继承的类设计中,只有一个字节被用来对齐,而此种继承体系之下,有9个字节被用来对齐:

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这时的类的布局如下:

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为什么不把Concrete2和Concrete3的数据填补到Concrete1用于对齐的空间中呢?原因时,在此种情况下,当发生Concrete1的复制操作时,会破坏Concrete2的内容:

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2. 加入多态时的情况,例如,街上上述的例子,对于Point2d,现在加入几个虚函数,用以支持多态特性:

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此时会带来额外的空间以及存取时间上的额外负担:

a. 虚函数表会被产生出来(virtual table)。

b. 每一个类对象中会加入一个指向上述虚表的指针(vptr)。

c. 加强构造函数,使之可以为vptr设定初值。

d. 加强析构函数,使之可以清除指向虚函数表的vptr。

此时的类的内存布局会增加一个指向虚表的指针(该指针可能放在头部也可能放在尾部):

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3. 多种继承的情况,在单继承中,可以看到,基类和子类的对象都是从相同的地址开始的,差异只是子类比较大,例如以下操作,

P3d p3d; 
P2d* p = &p3d;
           

以基类指针指向子类指针并不需要修改地址,多重继承则不一样,因为第二个乃至后面的基类起始地址与对应基类的地址并不一样,例如对于如下继承体系以及对应的内存布局:

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从上图看以看出,最左端基类(P2d和P3d)的起始地址和子类V3d是一样的,而之后的基类Vertex则和子类不一致,因此,对于如下对象和指针:

Vertex3d v3d;
Vertex* pv;
Point2d* p2d;
Point3d* p3d;
           

如下的赋值操作:pv = v3d; 需要内部转化为:pv = (Vertex*)(((char*)&v3d) + sizeof(Point3d));即需要偏移才可以指向子类中对应的该基类的部分,而对于如下赋值:p2d = &v3d;p3d = &v3d; 则不需要任何调整。

如果要存取第二个或者后继基类中的一个数据成员,并不需要额外负担,因为数据成员的位置在编译时期就固定了,因此存取只是一个简答的位移(offset)运算,并不需要额外成本。

4. 虚拟继承的情况,考虑如下继承体系,Vertex和Point3d虚拟继承自Point2d,Vertex3d共有继承(非虚继承)自Vertex和Point3d

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a. 此时必须有在子类对象中安插指针指向虚基类,一种可能的布局如下,子类需要维护指向虚基类地址的指针,此种策略下,对于Point3d运算符:

void Point3d::operator+=(const Point3d& rhs)
{
    _x += rhs._x;
    _y += rhs._y;
    _z += rhs._z;
};
           

会内部转化为:

pPoint2d->_x += rhs.pPoint2d->_x;
pPoint2d->_y += rhs.pPoint2d->_y;
_z += rhs._z;
           

而对于一个子类和基类的转换:

Point2d* p2d = pv3d; //Vertex3d* pv3d
           

会被转化为(必须判断pv3d是否为空,否则可能导致不正确的赋值):

Point2d* p2d = pv3d ? pv3d->pPoint2d : 0;
           
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b. 另一种策略是将虚基类的偏移量(而不是地址)存入虚表中(以下例子中,虚表中的正值索引会索引到虚函数地址,负值索引会索引到虚基类偏移量),也就是与虚函数放到一个表中,针对上例,此种策略下可能的布局如下,此种策略下,上述+=运算符会被转化为:

(this + __vptr__Point3d[-1])->_x += (rhs + rhs.__vptr__Point3d[-1])->_x;
(this + __vptr__Point3d[-1])->_y += (rhs + rhs.__vptr__Point3d[-1])->_y;
_z += rhs._z;
           

对于

Point2d* p2d  = pv3d;
           

会转化为:

Point2d* p2d  = pv3d ? pv3d + pv3d->__vptr__Point3d[-1] : 0;
           
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由于虚拟继承的存在带来了额外的负担以及高度的复杂性,所以,一般而言,“虚基类的最有效的运用形式就是:一个抽象的虚基类,没有任何数据成员。”

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