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C++函数编译原理和成员函数的实现

C++函数编译原理和成员函数的实现

作者: 零岁的我 | 来源:发表于2020-04-25 10:30 被阅读0次

    转载自:http://c.biancheng.net/cpp/biancheng/view/2996.html


    从上节的例子可以看出,对象的内存模型中只保留了成员变量,除此之外没有任何其他信息,程序运行时不知道 obj 的类型为 Demo,也不知道它还有一个成员函数 display()。那么,究竟是如何通过对象调用成员函数的呢?

    C++函数的编译

    C++和C语言的编译方式不同。C语言中的函数在编译时名字不变,或者只是简单的加一个下划线_(不同的编译器有不同的实现),例如,func() 编译后为 func() 或 _func()。

    而C++中的函数在编译时会根据命名空间、类、参数签名等信息进行重新命名,形成新的函数名。这个重命名的过程是通过一个特殊的算法来实现的,称为名字编码(Name Mangling)。

    Name Mangling 是一种可逆的算法,既可以通过现有函数名计算出新函数名,也可以通过新函数名逆向推演出原有函数名。

    Name Mangling 可以确保新函数名的唯一性,只要命名空间、所属的类、参数签名等有一个不同,那么产生的新函数名也不同。

    如果你希望看到经算法产生的新函数名,可以只声明而不定义函数,这样调用函数时就会产生链接错误,从报错信息中就可以看到。请看下面的代码:

        #include<iostream>
        using namespace std;
     
        void display();
        void display(int);
     
        namespace ns{
            void display();
        }
     
        class Demo{
        public:
            void display();
        };
     
        int main(){
            display();
            display(1);
            ns::display();
            Demo obj;
            obj.display();
     
            return 0;
        }
    

    该例中声明了四个同名函数,包括两个具有重载关系的全局函数,一个位于命名空间 ns 下的函数,以及一个属于类 Demo 的函数。它们都是只声明而未定义的函数。

    编译源代码即可看到错误信息:


    image.png

    小括号中就是 Name Mangling 产生的新函数名,它们都以”?“开始,以区别C语言中的”_“。

    上图是VS2010产生的错误信息,不同的编译器有不同的 Name Mangling 算法,产生的函数名也不一样。

    __thiscall、cdecl 是函数调用方式,有兴趣的读者可以猛击《函数的几种调用方式》一文深入了解。

    除了函数,某些变量也会经 Name Mangling 算法产生新名字,不再赘述。

    成员函数的调用

    从上图可以看出,成员函数最终被编译成与对象无关的普通函数,如果函数体中没有成员变量,那问题就很简单,不用对函数做任何处理,直接调用即可。

    如果成员函数中使用到了成员变量,该怎么办呢?成员变量的作用域不是全局,不经任何处理就无法在函数内部访问。

    C++规定,编译成员函数时要额外添加一个形参this,在调用成员函数时,把当前对象的地址传递给this指针,通过指针来访问成员函数中用到的成员变量。不过this这个形参时隐式的,它并不出现在代码中,而是在编译阶段由编译器默默的将它添加到参数列表中。

    假设 Demo 类有两个 int 型的成员变量,分别是 a 和 b,并且在成员函数 display() 中使用到了,如下所示:

        void Demo::display(){
            cout<<a<<endl;
            cout<<b<<endl;
    

    那么编译后的形式类似于:

        void new_function_name(const Demo *p){
            //通过指针p来访问a、b
            cout<<p->a<<endl;
            cout<<p->b<<endl;
        }
    

    调用时的形式类似于:

    new_function_name(&obj);

    这样就完成了对象和成员函数的关联,只不过与我们从表明上看到的相反,不是通过对象找函数,而是通过函数找对象。

    这一切都是隐式完成的,对程序员来说完全透明,就好像这个额外的参数不存在一样。

    总结:C++ 类中,成员函数最终被编译成与对象无关的普通函数,除了成员变量,会丢失所有信息,所以在编译时会添加一个额外的参数,把当前对象的首地址传入,以此来关联成员函数和成员变量。这个额外的参数,实际上就是 this,它是成员函数和成员变量关联的桥梁。

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