[C++]C++ 對象模型

很久以前，就購買了《深度探索C++對象模型》這本書，剛入手時，翻看了很久，以爲受益不淺。最近發現，這本書中的知識，在腦海中，已經變得很不清晰了，本着好記性不如爛筆頭的傳統，打算用一段時間，把其中比較重要，尤爲是在實際工做中，真的會使用到的知識，作一番整理。今天開始第一篇，系統介紹下C++ 對象模型。

簡單對象模型（A Simple object model）

在簡單對象模型中，一個對象中，包含了一系列的slots。這些slot均爲一個指針，所指向的地址，對應的爲類中定義的對象或者方法。

好比定義一個類

class foo {
public:
    foo();
    ~foo();

    int number;
    int add();
};

那麼在定義一個對象obj以後，obj的結構以下：

| slot | meaning|
| --- | --- |
| 0 | pointer to foo() |
| 1 | pointer to ~foo() |
| 2 | pointer to number |
| 3 | pointer to add(int num) |

在這種模型下，可以避免由於成員類型的不一樣，而形成額外存儲空間的不一樣，也就是說，全部對象的大小，均爲 成員數量 x sizeof(pointer)。

注意，這種簡單的對象模型，這是一個設想，並無真的在C++語言中被採用。不過這種指向成員指針的思想卻在實際C++對象模型中得以繼承。

表格驅動對象模型（ A Table-driven Object Model）

與簡單對象模型不一樣，表格驅動模型中，區分了成員變量，與成員函數。在一個對象中，會包含兩個指針，一個指針指向存儲了全部成員變量的表格，一個指針指向存儲了全部成員函數指針的表格。

好比定義一個類：

class foo {
public:
    foo();
    ~foo();

    int number;
    int count;

    int add();
    int subtract();
    int multiplied();
    int divided();
};

那麼在定義個obj以後，具體的存儲方式以下

pointer	table	table member
data pointer	data table	number
		count
function pointer	function table	pointer to add
		pointer to multiplied
		pointer to divided

注意，這種表格驅動對象模型也沒有被C++語言採用，不過 member function table的觀念，被後續的virtual functions的實現所採納。

C++對象模型

由Stroustrup最初設計的C++對象模型是從簡單模型演變而來的，其中：

• 非靜態成員變量(nonstatic data members)被放置到對象中。
• 靜態成員變量(static data members)被放置在全部對象以外，單獨進行存儲。
• 非virtual成員函數，包括靜態(static)與非靜態(nonstatic)被放置在全部對象以外。
• 每一個對象中都增長一個名爲vptr的指針，該指針指向一個名爲virtual table的表格，該表格存儲了類中定義的全部虛函數(virtual function)

非繼承下的C++對象模型

好比定義一個類：

class foo {
public:
    foo();
    ~foo();

    int number;
    static int count;

    int add();
    static int subtract();
    virtual int multiplied();
    virtual int divided();
};

那麼定義一個obj以後，具體的存儲方式以下：

location	member	table member
obj	number	---
	vptr	pointer to multiplied()
		pointer to diviede()
out of obj	count
	add()
	substract()

單一繼承下的C++對象模型

在單一繼承的C++對象模型中，派生類對象中，會包含全部父類中的非靜態(nonstatic)成員變量，可以訪問類中定義的全部靜態(static)變量,靜態(static)與非靜態(nonstatic)的成員函數，對於虛函數(virtual function)，若是派生類中對虛函數作重寫(overwrite)，則會覆蓋父類中虛表(virtual table)中的函數指針。

class Point2D {
public:
    int x;
    int y;

    static int count;

    int get_x();
    int get_y();

    virtual int foo();

    static int get_count();
};

class Point3D_0 : public Point2D {
public:
    int z;

    int get_z();
};

class Point3D_1 : public Point2D {
public:
    int z;

    int get_z();

    virtual int foo();
};

Point2D obj的內存佈局以下:

location	member	table member
obj	x	---
	y	---
	vptr	pointer to Point2D::foo()
out of obj	Point2D::count
	Point2D::get_x()
	Point2D::get_y()
	Point2D::get_count()

Point3D_0 obj的內存佈局以下：

location	member	table member	table member
obj	Point2D	Point2D::vptr	pointer to Point2D::foo()
		Point2D::x	---
		Point2D::y	---
	z	---
out of obj	Point2D::count
	Point2D::get_x()
	Point2D::get_y()
	Point2D::get_count()

Point3D_1 obj的內存佈局以下：

location	member	table member	table member
obj	Point2D	Point2D::vptr	pointer to Point3D::foo()
		Point2D::x	---
		Point2D::y	---
	z	---
out of obj	Point2D::count
	Point2D::get_x()
	Point2D::get_y()
	Point2D::get_count()

多繼承（非菱形繼承）下的C++對象模型

在多繼承（非菱形繼承）中，派生類對象會包含全部基類中的非靜態(nonstatic)成員變量，可以訪問類中定義的全部靜態(static)變量,靜態(static)與非靜態(nonstatic)的成員函數。可是這裏須要注意的是全部基類中的靜態(static)與非靜態(nonstatic)變量或者函數方法的名字，不可以出現衝突，不然會形成派生類對象調用時的不明確，編譯器會直接報錯。

對於虛函數(virtual function)，派生類若是沒有對父類中的虛函數(virtual function)作重寫(overwrite)，那麼全部父類中的虛函數不能衝突，不然因爲調用不明確出現編譯錯誤。若是派生類對父類中的虛函數(virtual function)作了重寫(overwrite)，那麼子類的虛函數被放在聲明的第一個基類的虛函數表中。

class base1 {
private:
    int a1{ 1 };
public:
    virtual void print() {
        std::cout << "base 1" << std::endl;
    }

    int get_1() { return a1; };
};


class base2 {    
private:
    int a2{ 2 };
public:
    
    virtual void print() {
        std::cout << "base 2" << std::endl;
    }

    int get_2() { return a2; };
};

class child : public base1, public base2 {
private:
    int c{ 0 };
public:
    virtual void print() {
        std::cout << "child" << std::endl;
    }
};

child obj 內存佈局

location	member	member	member
obj	base1	base1::vptr	pointer to chlid::print()
		base1::a1	---
	base2	base1::vptr	pointer to base2::print()
		base2::a2	---
	c	---	---
out of obj	base1::get_1()	---	---
	base2::get_2()	---	---

菱形繼承下的C++對象模型

菱形繼承指的是基類被某個派生類簡單重複繼承了屢次，從而會在派生類中出現多個基類實例。這種狀況下，派生類對象去調用基類中成員變量時，就會出現調用的不明確，從而致使程序的行爲不可測。爲了解決這種問題，C++對象模型中引入了虛繼承的概念。

在虛繼承中，派生類會生成一個隱藏的虛基類指針（vbptr）用於存放最開始的父類。結構以下：

class base {
public:
    int a{ 0 };
    int b{ 1 };
};

class base1 : public virtual  base {
public:
    base1() {
        a = 1;
    }
    virtual void print() {
        std::cout << "base 1" << std::endl;
    }
};


class base2 : public virtual base {    
public:
    base2() {
        a = 2;
    }

    virtual void print() {
        std::cout << "base 2" << std::endl;
    }
};

class child : public base1, public base2 {
private:
    int c { 10 };
public:
    virtual void print() {
        std::cout << "child: " << a << std::endl;
    }
};

child obj內存佈局

location	member	member	member
obj	base1	vbptr, point to child::base	---
		base1::vptr	pointer to child::print()
	base2	vbptr, point to child::base	---
		base2::vptr	pointer to base2::print()
	base	a	---
		b	---
	c	---	---