深度探索C++对象模型:三种对象模型

作者: 单刀土豆 | 来源:发表于2016-07-04 14:16 被阅读187次

    引言

    现在有一个Point类,声明如下:

    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;
    };
    

    这个类在机器上是通过什么模型来表示的呢?下面就介绍三种不同的实现方式。转载请注明出处:单刀土豆

    1. 简单对象模型

    简单对象模型名副其实,十分简单。在简单对象模型中,一个 object是由一系列slots组成,每个slot相当于一个指针,指向一个membermemebers按照声明的顺序与slots一一对应,这里的members包括data membersfunction members。如果将简单对象模型应用在Point Class上,结构图如下:

    1.png
    • 优点:十分简单,降低了编译器设计的复杂度。

    • 缺点:空间和时间上的效率降低。由于所有member都对应一个slot指针,所以每个object在空间上额外多出:member's number 乘以指针大小的空间。同时由于访问object的每个member都需要一次slot的额外索引,所以在时间的效率也会降低。

    2. 表格驱动对象模型

    表格驱动对象模型将member datamember function分别映射成两个表格member data tablefunction member table,而object本身只存储指向这两个表格的指针。 �其中function member table是由一系列的slot组成,每个slot指向一个member function; member data table则直接存储的member data本身。如果将表格驱动对象模型应用在Point Class上,结构图如下:

    2.png
    • 优点:采用两层索引机制,对object变化提供比较好的弹性,在objectnonstatic data member有所改变时,而应用程序代码没有改变,这时是不需要重新编译的。
    • 缺点:空间和时间上的效率降低,具体原因可以参考简单对象模型的缺点分析。

    3. C++ 对象模型

    Stroustrup 早期设计的C++对象模型是从简单对象模型改进而来的,并对内存空间和存取时间进行了优化。主要是将nonstatic data members存储在每一个object中,而static data members以及所有的function members被独立存储在所有object之外。对虚函数的支持主要通过以下几点完成的:

    • 所有包含虚函数或者继承自有虚函数基类的class都会有一个virtual table,该虚函数表存储着一堆指向该类所包含的虚函数的指针。
    • 每个class所关联的type_info object也是由virtual table存储的,一般会存在该表格的首个slottype_info用于支持runtime type identification (RTTI)。

    如果将C++对象模型应用在Point Class上,结构图如下:

    3.png
    • 优点:空间和存取效率高,所有static data members以及所有的function members被独立存储在所有object之外,可以减少每个object的大小,而nonstatic data members存储在每一个object中,又提升了存取效率。
    • 缺点:如果应用程序的代码未曾更改,但所用到的classnonstatic data members有所更改,那么那些代码仍然需要全部重新编译,而前面的表格驱动模型在这方面提供了较大的弹性,因为他多提供了一层间接性,当然是付出了时间和空间上的代价。

    在加上继承情况下的对象模型

    C++支持单继承、多继承、虚继承,下面来看下base class实体在derived class中是如何被构建的。

    简单对象模型中可以通过derived class object中的一个slot来存储base class subobject的地址,这样就可以通过该slot来访问base class的成员。这种实现方式的主要缺点是:因为间接性的存储而导致空间和存取时间上存在额外负担;优点是:derived class的结构不会因为base class的改变而改变。

    表格驱动对象模型中可以利用一个类似base class table的表格来存储所有基类的信息。该表格中存储一系列slot,每个slot存储一个base class的地址。这种实现方式的缺点是:因为间接性的存储而导致空间和存取时间上存在额外负担;优点是:一是所有继承的class都有一致的表现形式(包含一个base table指针,指向基类表)与基类的大小和数目没有关系,二是base class table增加了子类的扩展性,当基类发生改变时,可以通过扩展、缩小或者更改base class table来进行调整。
    以上两种实现方式都存在一个重要的问题,就是由于间接性而导致的空间和时间上的额外负担,并且该间接性的级数会随着继承的深度而增加。

    C++ 最初采用的继承模型并不采用任何间接性,所有基类的数据直接存储在子类当中,这样在存储结构和访问效率上是最高效的。当然也有缺点:当base class members有任何改变,用到此base class或者derived class的对象必须重新编译。在C++ 2.0引入了virtual base class,需要一些间接性的方式来支持该特性,一般会导入一个virtual base class table或者扩展已有的virtual table,详细会在后面博文讨论。

    相关文章

      网友评论

        本文标题:深度探索C++对象模型:三种对象模型

        本文链接:https://www.haomeiwen.com/subject/jygcjttx.html