深入理解C++的對象模型
何為C++對象模型?
C++對象模型可以概括為以下2部分:
1. 語言中直接支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的部分
2. 對于各種支持的底層實現(xiàn)機制
引言
現(xiàn)在有一個Point類,聲明如下:
class Point {
public:
Point(float xval);
virtual ~Point();
float x() const;
static int PointCount();
protected:
virtual ostream& print(ostream &os) const;
float _x;
static int _point_count;
};
這個類在機器上是通過什么模型來表示的呢?下面就介紹三種不同的實現(xiàn)方式。
1. 簡單對象模型
簡單對象模型名副其實,十分簡單。在簡單對象模型中,一個 object是由一系列slots組成,每個slot相當于一個指針,指向一個member,memebers按照聲明的順序與slots一一對應,這里的members包括data members和function members。
如果將簡單對象模型應用在Point Class上,結(jié)構(gòu)圖如下:

優(yōu)點:十分簡單,降低了編譯器設(shè)計的復雜度。
缺點:空間和時間上的效率降低。由于所有member都對應一個slot指針,所以每個object在空間上額外多出:member's number 乘以指針大小的空間。同時由于訪問object的每個member都需要一次slot的額外索引,所以在時間的效率也會降低。
2. 表格驅(qū)動對象模型
表格驅(qū)動對象模型將member data和member function分別映射成兩個表格member data table和function member table,而object本身只存儲指向這兩個表格的指針。 其中function member table是由一系列的slot組成,每個slot指向一個member function; member data table則直接存儲的member data本身。如果將表格驅(qū)動對象模型應用在Point Class上,結(jié)構(gòu)圖如下:

優(yōu)點:采用兩層索引機制,對object變化提供比較好的彈性,在object的nonstatic data member有所改變時,而應用程序代碼沒有改變,這時是不需要重新編譯的。
缺點:空間和時間上的效率降低,具體原因可以參考簡單對象模型的缺點分析。
3. C++ 對象模型
Stroustrup 早期設(shè)計的C++對象模型是從簡單對象模型改進而來的,并對內(nèi)存空間和存取時間進行了優(yōu)化。主要是將nonstatic data members存儲在每一個object中,而static data members以及所有的function members被獨立存儲在所有object之外。
對虛函數(shù)的支持主要通過以下幾點完成的:
所有包含虛函數(shù)或者繼承自有虛函數(shù)基類的class都會有一個virtual table,該虛函數(shù)表存儲著一堆指向該類所包含的虛函數(shù)的指針。
每個class所關(guān)聯(lián)的type_info object也是由virtual table存儲的,一般會存在該表格的首個slot,type_info用于支持runtime type identification (RTTI)。
如果將C++對象模型應用在Point Class上,結(jié)構(gòu)圖如下:

優(yōu)點:空間和存取效率高,所有static data members以及所有的function members被獨立存儲在所有object之外,可以減少每個object的大小,而nonstatic data members存儲在每一個object中,又提升了存取效率。
缺點:如果應用程序的代碼未曾更改,但所用到的class的nonstatic data members有所更改,那么那些代碼仍然需要全部重新編譯,而前面的表格驅(qū)動模型在這方面提供了較大的彈性,因為他多提供了一層間接性,當然是付出了時間和空間上的代價。
在加上繼承情況下的對象模型
C++支持單繼承、多繼承、虛繼承,下面來看下base class實體在derived class中是如何被構(gòu)建的。
簡單對象模型中可以通過derived class object中的一個slot來存儲base class subobject的地址,這樣就可以通過該slot來訪問base class的成員。這種實現(xiàn)方式的主要缺點是:因為間接性的存儲而導致空間和存取時間上存在額外負擔;優(yōu)點是:derived class的結(jié)構(gòu)不會因為base class的改變而改變。
表格驅(qū)動對象模型中可以利用一個類似base class table的表格來存儲所有基類的信息。該表格中存儲一系列slot,每個slot存儲一個base class的地址。這種實現(xiàn)方式的缺點是:因為間接性的存儲而導致空間和存取時間上存在額外負擔;優(yōu)點是:一是所有繼承的class都有一致的表現(xiàn)形式(包含一個base table指針,指向基類表)與基類的大小和數(shù)目沒有關(guān)系,二是base class table增加了子類的擴展性,當基類發(fā)生改變時,可以通過擴展、縮小或者更改base class table來進行調(diào)整。
以上兩種實現(xiàn)方式都存在一個重要的問題,就是由于間接性而導致的空間和時間上的額外負擔,并且該間接性的級數(shù)會隨著繼承的深度而增加。
C++ 最初采用的繼承模型并不采用任何間接性,所有基類的數(shù)據(jù)直接存儲在子類當中,這樣在存儲結(jié)構(gòu)和訪問效率上是最高效的。當然也有缺點:當base class members有任何改變,用到此base class或者derived class的對象必須重新編譯。在C++ 2.0引入了virtual base class,需要一些間接性的方式來支持該特性,一般會導入一個virtual base class table或者擴展已有的virtual table。
總結(jié)
以上就是深入研究C++的對象模型的全部內(nèi)容,希望本文的內(nèi)容對大家有所幫助。
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