對(duì)象內(nèi)存
有以下類，這些類實(shí)例化的對(duì)象在內(nèi)存中占的大小分別是多少？
class X
{
};
class Y : public virtual X
{
};
class Z : public virtual X
{
};
class A : public Y, public Z
{
};
乍一看這三個(gè)類都沒(méi)有成員變量，對(duì)象所占的內(nèi)存大小應(yīng)該是0，而實(shí)際不是。
? ? ? ? sizeof X的結(jié)果是1
? ? ? ? sizeof Y的結(jié)果是8
? ? ? ? sizeof Z的結(jié)果是8
? ? ? ? sizeof Z的結(jié)果是12
class X不是空的，它有一個(gè)隱晦的1 byte，那是編譯器安插進(jìn)去的一個(gè)char，使得該class對(duì)應(yīng)的object得以在內(nèi)存中配置唯一的地址
class Y和class Z的大小都是8，這個(gè)和機(jī)器以及編譯器有關(guān)，受到以下三個(gè)因素影響：
1. 語(yǔ)言本身造成的額外負(fù)擔(dān)
? ? 當(dāng)語(yǔ)言支持virtual base class時(shí)，在derived class中，這個(gè)額外負(fù)擔(dān)反應(yīng)在某種形式的指針身上，它或者指向virtual base class subobject或者指向一個(gè)相關(guān)表格，這個(gè)表格里或者virtual base class subobject的地址或者其偏移量。
2. 編譯器對(duì)于特殊情況所提供的優(yōu)化處理
? ? virtual base class X subobject的1 byte大小也出現(xiàn)在class Y和Z身上。傳統(tǒng)上它被放在derived class的固定(不變動(dòng))部分的尾端。某些編譯器會(huì)對(duì)empty virtual base class提供特殊支持(如下面第3點(diǎn))
? ? 對(duì)于后續(xù)編譯器優(yōu)化，這1byte被舍去了，因?yàn)閐erived class object中已經(jīng)不需要這1byte來(lái)申請(qǐng)唯一地址了，object已經(jīng)至少有一個(gè)指針了。
3. Alignment的限制
? ? ?class Y和Z的大小截止當(dāng)前為5 bytes，在大部分機(jī)器上，群聚的結(jié)構(gòu)體大小會(huì)受到alignment的限制，使他們能夠更加有效率地在內(nèi)存中被存取
? ? alignment就是將數(shù)值調(diào)整到某數(shù)的整數(shù)倍，在32位計(jì)算機(jī)上，通常alignment為4bytes(32位)，以使bus的“運(yùn)輸量”達(dá)到最高效率。

class的data member一般是可以表現(xiàn)這個(gè)class在程序執(zhí)行時(shí)的某種狀態(tài)。nonstatic data members放置的是“個(gè)別的class object”感興趣的數(shù)據(jù)，static data member則放置的是“整個(gè)class”感興趣的數(shù)據(jù)。不管該class被產(chǎn)生出多少個(gè)objects，static data members永遠(yuǎn)只存在一份實(shí)體(即使還沒(méi)產(chǎn)生任何該class的object實(shí)體，其static data member也已經(jīng)存在)。但一個(gè)template class的static data members的行為有所不同(后續(xù)會(huì)討論)

Data Member的綁定
關(guān)于全局變量和內(nèi)部變量的resolved問(wèn)題
? ? ? 現(xiàn)在編譯器已優(yōu)化，對(duì)于class內(nèi)部和外部同名變量，內(nèi)部function優(yōu)先使用內(nèi)部同名變量。但是對(duì)于typedef定義優(yōu)先使用先出現(xiàn)的，即如果使用點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，只有外部typedef可見(jiàn)，那么使用外部typedef。因此為避免歧義，需要把內(nèi)部的typedef放在所有數(shù)據(jù)使用之前，如下：
typedef int length;
class Point3D
{
private:
? ? typedef float length;
? ? length _val;
};

Data Member的布局
nonstatic data member在class object中的排列順序和其被聲明的順序一致，中間插入static data members不會(huì)被放進(jìn)對(duì)象布局中。
C++ Standard要求，在同一個(gè)access section(也就是private、public、protected等區(qū)段)中，members的排列只需符合“較晚出現(xiàn)的members在class object中有較高的地址”這一條件即可，也就是說(shuō)各個(gè)members并不一定得連續(xù)排列，中間可能會(huì)被一些字節(jié)介入，如member的邊界調(diào)整(alignment)可能就填補(bǔ)一些bytes。access sections的多寡并不會(huì)招來(lái)額外負(fù)擔(dān)，例如在一個(gè)section中聲明8個(gè)members或者在8個(gè)sections中總共聲明8個(gè)members得到的object大小是一樣的。

各類Data Member的存取
static data member
每一個(gè)static data member只有一個(gè)實(shí)體，存放在程序的data segment中，每次程序取用static member就會(huì)被內(nèi)部轉(zhuǎn)化成對(duì)該唯一的extern實(shí)體的直接參考操作。
//origin.chunkSize = 250;
Point3d::chunkSize = 250;
//pt->chunkSize = 250;
Point3D::chunkSize = 250;
不管這個(gè)static data member是通過(guò)繼承還是什么途徑得來(lái)的，存取都是一樣的。取一個(gè)static data member的地址會(huì)得到一個(gè)指向其數(shù)據(jù)類型的指針，而不是一個(gè)指向其class member的指針，因?yàn)閟tatic member并不包含在一個(gè)class object中，在data segment中。兩個(gè)class命名了相同的static變量，那么他們?cè)赿ata segment就會(huì)導(dǎo)致名稱沖突，編譯器解決的辦法是對(duì)他們重新編碼。

Nonstatic Data Member
nonstatic data member的存取是通過(guò)class object來(lái)操作的，通過(guò)明確的或者暗喻的(通過(guò)調(diào)用內(nèi)部方法間接使用nonstatic data member)。對(duì)于nonstatic data member的存取是編譯器把class object的起始地址加上data member的偏移量(offset)，如：
? ? origin.y = 0.0

那么地址&origin.y等于&origin+(&Point3d::_y-1)，指向data member的指針，其offset值總被加上1，這是用于區(qū)分“一個(gè)指向data member的指針，用以指出class的第一個(gè)member”和“一個(gè)指向data member的指針，沒(méi)有指向任何member”兩種情況，所以這里需要-1

Add Polymorphism
class Point2d
{
? ? ...
? ? virtual function...
};
class Point3d : public Point2d
{
? ?...
};
加入多態(tài)后，程序有了更多彈性，為支持這樣的彈性，勢(shì)必給Point2d帶來(lái)空間和存取時(shí)間的額外負(fù)擔(dān)：
1. 導(dǎo)入一個(gè)和Point2d有關(guān)的virtual table，用來(lái)存放它所聲明的每一個(gè)virtual function的地址。這個(gè)table的元素?cái)?shù)目一般而言是被聲明的virtual functions的數(shù)目，再加上一個(gè)或兩個(gè)slots(用以支持runtime type identification)
2. 在每一個(gè)class object中導(dǎo)入一個(gè)vptr，提供執(zhí)行期的鏈接，使每一個(gè)object能夠找到相應(yīng)的virtual table
3. 加強(qiáng)constructor，使它訥訥夠?yàn)関ptr設(shè)定初值，讓它指向class所對(duì)應(yīng)的virtual table。這可能意味著在derived class和每一個(gè)base class的constructor中，重新設(shè)定vptr的值，其情況視編譯器的優(yōu)化的積極性而定。
4. 加強(qiáng)destructor，使它能抹消“指向class之相關(guān)virtual table”的vptr。要知道，vptr很可能已經(jīng)在derived class destructor中被設(shè)定為derived class的virtual table地址。記住，destructor的調(diào)用次序是反向的：從derived class到base class，一個(gè)積極的優(yōu)化編譯器可以壓抑那些大量的指定操作。
每一個(gè)Point3d class object內(nèi)含一個(gè)額外的vptr member(繼承自Point2d)；多了一個(gè)Point3d virtual table，此外，每一個(gè)virtual member function的調(diào)用也比以前復(fù)雜了。

多重繼承(Multiple Inheritance)
單一繼承提供一種“自然多態(tài)(natural polymorphism)”形式，base class和derived class的objects都是從相同地址開(kāi)始的，其差異只在于derived object 比較大，用以容納它自己的nonstatic data members。
對(duì)于多重繼承，復(fù)雜度在于derived class和其上一個(gè)base class乃至上上一個(gè) base class之間的“非自然”關(guān)系，如下：
? ? class Point2d
? ? {
? ? public:
? ? ? //...(擁有virtual接口，所以Point2d對(duì)象中會(huì)有vptr)
? ? protected:
? ? ? float _x, _y;
? ? };
? ? class Point3d : public Point2d
? ? {
? ? public:
? ? ? //...
? ? protected:
? ? ? float _z;
? ? };
? ? class Vertex
? ? {
? ? public:
? ? ? //...(擁有virtual接口，所以Vertex對(duì)象之中會(huì)有vptr)
? ? protected:
? ? ? Vertex* next;
? ? };
? ? class Vertex3d : public Point3d, public Vertex
? ? {
? ? public:
? ? ? //...
? ? protected:
? ? ? float mumble;
? ? };
對(duì)于將Vertex3d對(duì)象地址指定給最左端(即第一個(gè))base class類型的指針，情況將和單一繼承時(shí)相同，因?yàn)槎叨贾赶蛳嗤钠鹗嫉刂?。至于第二個(gè)或者后續(xù)的base class的地址指定操作，則需要將地址修改，加上(或減去，如downcast的話)介于中間的base class subobject(s)大小
? ? ? Vertext3d v3d;
? ? ? Vertex *pv;
? ? ? Point2d *p2d;
? ? ? Point3d *p3d;
那么下面這個(gè)指定操作：
? ? ?pv = &v3d;
需要這樣的內(nèi)部轉(zhuǎn)化，虛擬碼：
? ? pv = (Vertex*)(((char*)&v3d) + sizeof(Point3d));
下面的指定操作：
? ? p2d = &v3d;
? ? p3d = &v3d;
都只是需要簡(jiǎn)單拷貝地址就行。
如果有下面兩個(gè)指針，且進(jìn)行指定操作：
? ? Vertex3d *pv3d;
? ? Vertex *pv;
? ? pv = pv3d;
不能只是簡(jiǎn)單地被轉(zhuǎn)化為：
? ? pv = (Vertex*)((char*)pv3d + sizeof(Point3d));
這里面還要判斷pv3d是否為0，正確的內(nèi)部轉(zhuǎn)化應(yīng)該再添加一個(gè)條件測(cè)試：
? ? pv = pv3d ? (Vertex*)((char*)pv3d + sizeof(Point3d)):0;
至于reference則不需要針對(duì)可能的0地址做測(cè)試，因?yàn)閞eference不可能參考到no object


虛擬繼承(Virtual Inheritance)
? ? ? ? 在虛擬繼承中，如果繼承有多個(gè)相同的subobject，則在derived class中只需保存一份。一般的實(shí)現(xiàn)方法：Class如果內(nèi)含一個(gè)或多個(gè)virtual base class subobject，像istream那樣，那么將被分割成兩部分：一個(gè)不變局部和一個(gè)共享局部。不變局部中的數(shù)據(jù)，不管后續(xù)如何衍化，總擁有固定的offset(從object的開(kāi)頭算起)，所以這部分?jǐn)?shù)據(jù)可以被直接存取。至于共享局部，所表現(xiàn)的就是virtual base class subobject。這一部分的數(shù)據(jù)，其位置會(huì)因?yàn)槊看闻派喜僮鞫兴兓?，所以他們只能被間接存取。各家編譯器實(shí)現(xiàn)技術(shù)之間的差異在于間接存取的方法不同。有如下虛擬繼承層次結(jié)構(gòu)：
? ? class Point2d
? ? {
? ? public:
? ? ? ?...
? ? protected:
? ? ? float _x, _y;
? ? };
? ? class Vertex : public virtual Point2d
? ? {
? ? public:
? ? ? ...
? ? protected:
? ? ? Vertex *next;
? ? };
? ? class Point3d : public virtual Point2d
? ? {
? ? public:
? ? ? ...
? ? protected:
? ? ? float _z;
? ? };
? ? class Vertex3d : public Vertex, public Point3d
? ? {
? ? public:
? ? ? ...
? ? protected:
? ? ? float mumble;
? ? };
一般的布局策略是先安排好derived class的不變部分，然后在簡(jiǎn)歷其共享部分。編譯器在每個(gè)derived class object中安插一些指針，每個(gè)指針指向一個(gè)virtual base class，存取寄存得來(lái)的virtual base class members可以使用相關(guān)指針間接完成(理想狀態(tài)是不在virtual base class中設(shè)置member)，如下：
? ? void Point3d::operator += (const Point3d &rhs)
? ? {
? ? ? _x += rhs._x;
? ? ? _y += rhs._y;
? ? ? _x += rhs._z;
? ? };
在cfront編譯器策略里，這個(gè)運(yùn)算符會(huì)被內(nèi)部轉(zhuǎn)換為：
? ? //虛擬碼
? ? __vbcPoint2d->_x += rhs.__vbcPoint2d->_x;//vbc意為virtual base class
? ??__vbcPoint2d->_y += rhs.__vbcPoint2d->_y;
? ? _z += rhs._z;
這里表現(xiàn)出來(lái)2個(gè)主要缺點(diǎn)：
1. 每一個(gè)對(duì)象必須對(duì)其每一個(gè)virtual base class背負(fù)一個(gè)額外指針，而我們希望class object有固定的內(nèi)存容量，而不是隨著virtual base class的數(shù)目有所改變
2. 由于虛擬繼承串聯(lián)的加長(zhǎng)，導(dǎo)致間接存取的層次增加，從而導(dǎo)致存取時(shí)間變長(zhǎng)，而我們希望存取時(shí)間是固定的。
針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題各個(gè)編譯器有各自的做法：
MetaWare和其他編譯器仍使用cfront的原始模型來(lái)解決第2個(gè)問(wèn)題，他們經(jīng)由拷貝操作來(lái)取得所有的nested virtual base class指針，放到derived class object中，用空間上的代價(jià)解決“固定存取時(shí)間”這個(gè)問(wèn)題，如下圖：

另一種解決方案是將virtual base class offset和virtual function entry混在一起，具體做法：在virtual function table中放置virtual base class的offset(而不是地址)，如下圖：

以上方法都是實(shí)現(xiàn)模型，而不是一種標(biāo)準(zhǔn)，每一種模型都是用來(lái)解決“存取shared subobject內(nèi)的數(shù)據(jù)(其位置會(huì)因每次派生操作而又變化)”所引發(fā)的問(wèn)題。最理想的情況是virtual base class 中不存放members，只是提供接口。

指向Data Member的指針
指向data member的指針是一個(gè)有用的語(yǔ)言特性，特別是要詳細(xì)調(diào)查class members的底層布局的話。這樣的調(diào)查可用以決定vptr是放在class的起始處或是尾端。另一個(gè)用途是決定class的access section次數(shù)。
有以下注意點(diǎn)：如何區(qū)分一個(gè)“沒(méi)有指向任何data member”的指針和一個(gè)指向“第一個(gè)datamember”的指針，如下：
? ? float Point3d::*p1 = 0;
? ? float Point3d::*p2 = &Point3d::x;//“指向Point3d data member”的指針類型
? ? if(p1 == p2)
? ? {
? ? ? ...
? ? }
為了區(qū)分p1和p2，每一個(gè)真正的member offset值都被加上1，因此不論編譯器或使用者都必須記住，在真正使用該值以指出一個(gè)member之前，請(qǐng)先減掉1。

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