《深度探索c++对象模型》（二）

作者: 野渡渡 | 来源:发表于2018-12-21 16:24 被阅读0次

前述

本章的的主题是构造函数语意学，主要是挖掘编译器对于“对象构造过程”的干涉，以及对于“程序形式”和“程序效率”上的冲击。

参考书籍及链接：《深度探索c++对象模型》

一、Default Constructor的构造操作

1. 什么时候才会合成一个default construct呢？

答案是当编译器需要的时候，default constructor会被合成出来，只执行编译器所需要的任务。另外要注意程序的需要和编译器的需要之间的区别，如果程序有需要，那是程序员的责任，就需要自己实现constructor。
对于class X，如果没有任何user-declared constructor，那么会有一个default constructor被隐式(implicitly)声明出来...一个被隐式声明出来的default constructor将是一个trivial(浅薄而无能，没啥用的)constructor...
一个nontrivial default constructor在ARM的术语中就是编译器需要的那种，必要的话由编译器合成出来。下面4小节分别讨论nontrivial default constructor的4种情况

2. 几种对象构建时的区别。

Global objects的内存保证会在程序启动的时候被清0。Local objects配置于程序的堆栈中，heap objects配置于自由空间，都不一定会被清零，它们的内容将是内存上次被使用的遗迹。

3. 第一种情况：“带有Default Constructor”的member class object

如果一个class没有任何constructor，但它内含一个member object，而后者有default constructor，那么这个class的implicit default constructor就是“nontrivial”，编译器为该class合成出一个default constructor。不过这个合成操作只有在constructor真正需要被调用时才会发生。

4. 多成员对象的情况。

编译器的处理是：如果一个class A内含一个或者一个以上member class objects，那么class A的每一个constructor必须调用每一个member classes 的default constructor。编译器会扩张已存在的constructors,在其中安插一些代码，使得user code在被执行之前，先调用必要的default constructors。调用顺序与member objects在class中的声明次序一致。

5. 第二种情况：“带有Default constructor”的base class。

如果一个没有任何constructors的class派生自一个“带有default constructor”的base class，那么这个derived class的default constructor会被视为nontrivial，并因此需要被合成出来。对于一个后继派生的class而言，这个合成的constructor和一个“被显式提供的default constructor”并没有差异。

注意一点，如果有constructor,但没有default constructor,那就会对每一个constructors进行扩充。如果亦存在Member Class Object，那些default constructor也会在base class constructor都被调用之后调用。

6. 第三种情况：“带有一个Virtual Funtion”的class。

如果class声明(或继承)一个virtual function，编译器也需要合成出default constructor或扩充construtor。下面两个扩张行动会在编译期间发生：

一个virtual function table(在cfront中被称为vtbl)会被编译期产生出来，内放class的virtual functions地址。
在每一个class object中，一个额外的pointer member(也就是vptr)会被编译期合成出来，内含相关之class vtbl的地址。

编译器会为每一个含有virtual function的class objects的vptr进行适当的初始化，以放置适当的virtual table地址。

7. 第四种情况：“带有一个virtual base class”的class。

如果class派生自一个继承串链，其中有一个或更多的virtual base classes编译器也需要合成出default constructor或扩充construtor。其目的在于必须使 virtual base class 在其每一个derived class object中的位置能够在执行期准备妥当。对于class所定义的每一个constructor。编译器都会安插那些“允许每一个virtual base class 的执行期存取操作”的代码。

8. 总结。

除以上四种情况外，在没有声明constructor时就默认其是无用的，其default constructor也就不会被合成出来的。
在合成的default constructor中，只有base class subobjects和member class objects会被初始化。所有其他的nonstatic data member ，如整数，整数指针，整数数组等是不会被初始化的，这些初始化操作对程序是必须的，但对编译器则并非需要的。
C++新手一般有两个误解：

任何class 如果没有定义default constructor ，就会被合成出来一个。
编译器合成出来的default constructor 会明确设定 class 内每一个data member的默认值。

二、Copy Constructor的构造操作

1. 哪些情况需要有copy constructor？

有三种情况，会以一个object的内容作为另一class object的初值，即需要有 copy constructor。

1. 把一个object直接赋值给另一个object进行初值。
1. 当object被当做参数交给某个函数
1. 当函数返回一个class object。

一个class object可用两种方式复制得到，一种是被初始化，另一种是赋值。从概念上看，这两种操作分别是以copy constructor和copy assignment operator完成的。
Default constructors和copy constructor在必要的时候才由编译器产生，这里的“必要”意指当class不展现bitwise copy sematics时。

2. Default Memberwise Initialization

当class object以“相同的另一个object作为初值是，其内部是以所谓的default memberwise initialization方式完成的。也就是把每一个内建的或派生的data member（例如一个数组或指针）的值，从某个object拷贝一份到另一个object上，但不拷贝其具体内容。例如只拷贝指针地址，不拷贝一份新的指针指向的对象，这也就是浅拷贝，不过它并不会拷贝其中member class object，而是以递归的方式实行memberwise initialization。

3. 递归的memberwise initialization是如何实现的呢？

答案就是Bitwise Copy Semantics和default copy constructor。如果class展现了Bitwise Copy Semantics，则使用bitwise copy（bitwise copy semantics编译器生成的伪代码是memcpy函数），否则编译器会生成default copy constructor。

4. Memberwise copy(深拷贝)与Bitwise copy(浅拷贝)的区别

Memberwise copy: 在初始化一个对象期间,基类的构造函数被调用,成员变量被调用,如果它们有构造函数的时候,它们的构造函数被调用,这个过程是一个递归的过程。
Bitwise copy: 原内存拷贝。例子,给定一个对象object,它的类型是class Base。对象object占用10字节的内存,地址从0x0到0x9.如果还有一个对象objectTwo,类型也是class Base。那么执行objectTwo = object;如果使用Bitwise拷贝语义,那么将会拷贝从0x0到0x9的数据到objectTwo的内存地址，也就是说Bitwise是字节到字节的拷贝。

对于默认的拷贝构造函数不会使用深拷贝,它只是使用浅拷贝。这意味着类的所有的成员是一层深度的拷贝而已。如果你的类或结构体成员中只是包含基本的数据类型例如int, float, char,那么Memberwise copy与Bitwise copy基本是相同的。但如果类中有指针存在,那么你可能会遇到问题。
例如下面的例子:

class A
{
   int m;
   double d;
   char *Str;
};

如果你创建两个这样的类对象,class A  a, b;并且你给a赋值,      
a.m = 6;   
a.d = 10.123;   
a.Str = new char[10];   
astrcpy(a.Str, "test");//这里是浅拷贝   
如果执行b = a;那么会把对象a的每一个成员的值赋值给b的每个成员。   
b.m = a.m;    
b.d = a.d;   
b.Str = a.Str;//现在对象a和b的成员Str都执向相同的内存,删除任一个内存都会析放另一个对象的内存。

所以你需要深拷贝,它不是拷贝的内存地址而是拷贝内存地址的内容。一个默认的拷贝构造函数经常执行浅拷贝,只有拥有自己的拷贝函数才可以实现深拷贝。

5. 什么时候一个class不展现出“bitwise copy semantics”呢？

有四种情况：

1. 当class内含有一个member class object，而这个member class内有一个默认的copy构造函数(不论是class设计者明确声明，或者被编译器合成)
1. 当class继承自一个base class，而base class有copy构造函数(不论显式声明或是被编译器合成]
1. 当一个类声明了一个或多个virtual 函数
1. 当class派生自一个继承串链，其中一个或者多个virtual base class

6. 重新设定Virtual Table的指针（virtual funtion的情况）

当编译器导入一个vptr到class之中时，该class就不再展现bitwise semantics了。编译器需要合成出一个copy constructor，以求将vptr适当地初始化。
当一个base class object以其derived class的object内容做初始化操作时，其vptr复制操作也必须要保证安全（非pointer和reference)。也就是说，合成出来的基类构造函数会显式设定object的vptr指向基类对应的virtual table，而不是直接将右手边的class object中将其vptr现值拷贝过来。

7. 如何处理virtual base class subobject的情况？

virtual base class的存在需要特别处理。一个class object如果以另一个object作为初值，而后者有一个virtual base class subobject，那么也会使“bitwise copy semantics”失效。
这时需要合成一个copy constructor,从而安插一些代码以设定virtualbase class pointer/offset的初值，对每一个members执行必要的memberwise初始化操作，以及执行其他的内存相关工作。

三、程序转化语意学(Program Transformation Semantics)

1. class object的显式初始化操作。

初始化object时，必要的程序转化有以下两个阶段：

重写每一个定义，其中的初始化操作会被剥除，在c++中，“定义”指占用内存的行为。
class的copy constructor调用操作会被安插进去。

2. 参数的初始化所做的程序转换。

C++ Standard说，把一个class object当做参数传给一个函数(或是作为一个函数的返回值)，相当于以下形式的初始化操作:

X xx = arg;//其中xx代表形式参数(或返回值)而arg代表真正的参数值

//因此，若已知如下函数：
void foo(X xo);
 
//转换的结果为：
X xx;
//xo以memberwise的方式将xx当作初值...
foo(xx);

有一种策略是导入所谓的临时性object，并调用copy constructor将它初始化，然后将此临时性object交给函数，临时性object会在函数结束处被析构。

3. 返回值的初始化所做的程序转换。

函数bar()的返回值为一个对象，那该怎么把局部对象xx拷贝过来？ Stroustrup在cfront中的解决办法是一个双阶段的转化：

1. 首先加上一个额外参数，其类型是class object的一个reference，这个参数将被用来放置被“拷贝建构”而得的返回值。
1. 在return指令之前安插一个copy constructor调用操作，以便将欲传回之object的内容当做上述新增参数的初值。函数也对应变为void类型。

4. 在编译器层面所做的优化。

编译器会以result参数取代name return val。这样的编译器优化操作，有时被称为Named Return Value(NRV)优化。NRV优化如今被视为是标准C++编译器的一个义不容辞的优化操作。NRV需要一定的条件，即对应的类要有copy constructor。
一般而言，面对“以一个class object作为另一个class object的初值”的情形，语言允许编译器有大量的自由发挥空间。其优点当然是导致机器码产生时有明显的效率提升。缺点则是你不能安全地规划你的copy constructor的副作用，必须视其执行而定。

NRV与返回值初始化的区别在于：NRV中不产生local object，直接以_result带入其中进行各种处理，减少调用copy constructor。而返回值初始化则是在最后用copy constructor将local object的值拷贝给_result, 中间不处理_result。一个是优化，一个是程序转换。

5. 那Copy Constructor要还是不要？

copy constructor的应用，迫使编译器多多少少对你的程序代码做部分优化。尤其当一个函数以传值(by value)的方式传回一个class object，而该class有一个copy constructor(不论是明确定义出来的，或是合成的)时。这将导致深奥的程序转化——不论在函数的定义或使用上，此外编译器也将copy constructor的调用操作优化，以一个额外的第一参数(数值被直接存放在其中)取代NRV。

如果编译器能自动为你实施了最好的行为,那就没有必要实现一个自己的copy constructor。
如果class需要大量的memberwise初始化操作，例如以传值的方式传回object，此时提供一个explicit inline copy constructor就是非常合理的（在有NRV的前提下）。

四、成员们的初始化队伍(Memeber Initialization List)

1. 在下列情况下，为了让你的程序能够顺利编译，你必须使用member initialization list:

当初始化一个reference member时
当初始化一个const member时
当调用一个base class的constructor，而它拥有一组参数时
当调用一个member class的constructor，而它拥有一组参数时

2.member initialization list中到底会发生什么事情？

编译器会一一操作initialization list，以适当顺序在constructor之内安插初始化操作，并且在任何explicit user code之前。
initialization list中的项目顺序是由class中的members声明顺序决定的，不是由initialization list中的排列顺序决定的。