《深入探索C++对象模型》笔记 Chapter3 成员变量

《深入探索C++对象模型》笔记 Chapter2 构造函数
《深入探索C++对象模型》笔记 Chapter3 成员变量
《深入探索C++对象模型》笔记 Chapter4 成员函数

第3章 成员变量

3.1 成员变量的绑定

所谓成员变量的绑定（binding），就是确定成员变量的类型。试想这样一个场景，有一个 extern int 类型的全局变量 x ，某个类声明了一个 float类型的 x，并且成员函数返回一个 x ，那么这个 x 应该是 float 而不是 int 是吧？但是如果成员函数的声明放在 float x 的声明之前呢？

这就是C++标准里 member scope resolution rule 的必要性了，对成员函数的分析，会直到整个类的声明都出现了才开始。 但是对于函数参数，还是会先 resolve 为全局声明的类型，然后碰到 nested type 的声明，再将之前的绑定标记为非法。为避免这种情况，我们在写代码时，尽量要把 nested type 声明放在类的起始处。

3.2 成员变量的布局

在类声明中，public/private/protect 分隔开的一段声明称之为一个 access section 。C++标准要求在一个 access section 里声明的变量要按照从低地址到高地址的顺序，不同 access section 的变量自由排列，不过主流编译器都是把各个 access session 连锁在一起，依照声明顺序，成为一个连续区块。

3.3 成员变量的存取

通过指针和通过对象对成员变量存取是有区别的，不过静态成员变量除外。

对于非静态成员变量的存取，origin._y 会被编译器翻译为 &origin + (&A::_y -1)，其中 A::_y 表示成员变量 _y 在对象布局中的偏移值，至于为什么要减一，在3.6节有详细解释。

如果。。。。虚继承，通过指针对成员变量存取就必须要延迟到运行期，但通过对象对成员变量存取就不会出现这个问题。

3.4 继承与成员变量

只考虑继承

非 virtual 的继承不会增加空间或存取时间上的额外负担。

设想一个 Concrete3 继承 Concrete2，Concrete2 继承 Concrete1 的场景。如果 Concrete1 有两个成员 int 和 char，Concrete2 Concrete3分别额外持有一个 char，那么内存布局应该是这样：

显然，这种布局会把很多空间浪费在 padding 上。那么为什么不采用看上去更好的办法，将 padding 都去除呢？这会带来一个严重的问题，那就是将基类对象拷贝到继承类对象时会覆盖原先的值。下图清晰地说明了这个过程。

继承时去除padding.png

再加上多态

多态会带来额外的时间空间负担：

• 类导入一个虚函数表存放虚函数地址
• 每个对象导入一个 vptr ，指向虚函数表
• 构造函数中初始化 vptr
• 析构函数中去除 vptr

不同编译器把 vptr 放置在对象的不同位置，比如 cfront 放在尾端，g++ 放在头部。

如果 vptr 放在头部，试想一种场景，基类没有虚函数，而派生类有，这时候我用一个基类指针指向派生类对象，那么这个指针应该向后偏移4字节（或8字节）的长度，才能正确指向一个对象。

为了验证以上内容，我写了如下代码，然而打印出来的两个地址相同：

#include <iostream>
using namespace std;
class Base{

};
class Derive:public Base{
    public:
        virtual void func(){}
};
int main(){
    Derive d;
    cout<<&d<<endl;
    Base *b=&d;
    cout<<b<<endl;

}

so,where is wrong?

多继承

派生类指针指向基类对象在遇到多继承时，不仅要考虑成员变量的偏移，还要考虑基类对象的偏移。

以 Vertex3d 继承 Vertex 和 Point3d 为例：

多继承内存布局.png

Vertex3d v3d;
Vertex *pv;
pv = &v3d;

编译器会将以上代码转换为

pv = (Vertex*)((char*)&v3d + sizeof( Point3d ));

虚继承

虚继承的一种实现方式，就是让每个对象持有一个指针，指向虚基类对象，如果要对虚基类成员存取，可以通过该指针间接完成。这称之为 Pointer Strategy。

PointerStrategy.PNG

但是如果有多个虚基类呢？这样做就会加重对象的负担。于是第二种方式就是引入 virtual base class table，每个对象拥有指向虚基类表的指针就可以了。

除此之外，还有一种解决方式就是，将虚基类偏移值放在虚函数表中。这称之为 Virtual Table Offset Strategy。

VirtualTableOffsetStrategy.PNG

以上可以看出，虚基类如果有成员变量，其存取是一件很麻烦，可能会影响效率的事情， 所以最好在虚基类中不声明任何成员变量。

3.6 指向成员变量的指针

指向成员变量的指针会是什么值？

A::* pa = &A::member_name ，其中 member_name 是类A一个成员变量的名字，试想这么一条语句，打印 pa 会显示某个地址吗？显然不能，因为我都没创建一个对象呢，怎么能告诉我这个对象的成员变量地址在哪？那么 pa 到底是什么呢？答案是成员相对对象起始位置的偏移值。

这个偏移值是从1开始的，而不是从0开始。因为要区分指向第一个成员的指针和 指向成员的空指针（A::* pb = 0 ） 这两种情况。