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深入理解C++的對(duì)象模型

更新時(shí)間：2016年08月11日 09:42:25 作者：?jiǎn)蔚锻炼?

本文在介紹C++使用的對(duì)象模型之前，先介紹了2種對(duì)象模型：簡(jiǎn)單對(duì)象模型（a simple object model）和表格驅(qū)動(dòng)對(duì)象模型（a table-driven object model），這樣介紹對(duì)后面的內(nèi)容更有幫助，有需要的小伙伴們可以參考學(xué)習(xí)。

何為C++對(duì)象模型？

C++對(duì)象模型可以概括為以下2部分：

1. 語(yǔ)言中直接支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的部分

2. 對(duì)于各種支持的底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制

引言

現(xiàn)在有一個(gè)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(gè)類在機(jī)器上是通過(guò)什么模型來(lái)表示的呢？下面就介紹三種不同的實(shí)現(xiàn)方式。

1. 簡(jiǎn)單對(duì)象模型

簡(jiǎn)單對(duì)象模型名副其實(shí)，十分簡(jiǎn)單。在簡(jiǎn)單對(duì)象模型中，一個(gè) object是由一系列slots組成，每個(gè)slot相當(dāng)于一個(gè)指針，指向一個(gè)member，memebers按照聲明的順序與slots一一對(duì)應(yīng)，這里的members包括data members和function members。

如果將簡(jiǎn)單對(duì)象模型應(yīng)用在Point Class上，結(jié)構(gòu)圖如下：

優(yōu)點(diǎn)：十分簡(jiǎn)單，降低了編譯器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

缺點(diǎn)：空間和時(shí)間上的效率降低。由于所有member都對(duì)應(yīng)一個(gè)slot指針，所以每個(gè)object在空間上額外多出：member's number 乘以指針大小的空間。同時(shí)由于訪問(wèn)object的每個(gè)member都需要一次slot的額外索引，所以在時(shí)間的效率也會(huì)降低。

2. 表格驅(qū)動(dòng)對(duì)象模型

表格驅(qū)動(dòng)對(duì)象模型將member data和member function分別映射成兩個(gè)表格member data table和function member table，而object本身只存儲(chǔ)指向這兩個(gè)表格的指針。其中function member table是由一系列的slot組成，每個(gè)slot指向一個(gè)member function; member data table則直接存儲(chǔ)的member data本身。如果將表格驅(qū)動(dòng)對(duì)象模型應(yīng)用在Point Class上，結(jié)構(gòu)圖如下：

優(yōu)點(diǎn)：采用兩層索引機(jī)制，對(duì)object變化提供比較好的彈性，在object的nonstatic data member有所改變時(shí)，而應(yīng)用程序代碼沒(méi)有改變，這時(shí)是不需要重新編譯的。

缺點(diǎn)：空間和時(shí)間上的效率降低，具體原因可以參考簡(jiǎn)單對(duì)象模型的缺點(diǎn)分析。

3. C++ 對(duì)象模型

Stroustrup 早期設(shè)計(jì)的C++對(duì)象模型是從簡(jiǎn)單對(duì)象模型改進(jìn)而來(lái)的，并對(duì)內(nèi)存空間和存取時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。主要是將nonstatic data members存儲(chǔ)在每一個(gè)object中，而static data members以及所有的function members被獨(dú)立存儲(chǔ)在所有object之外。

對(duì)虛函數(shù)的支持主要通過(guò)以下幾點(diǎn)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(huì)有一個(gè)virtual table，該虛函數(shù)表存儲(chǔ)著一堆指向該類所包含的虛函數(shù)的指針。

每個(gè)class所關(guān)聯(lián)的type_info object也是由virtual table存儲(chǔ)的，一般會(huì)存在該表格的首個(gè)slot，type_info用于支持runtime type identification (RTTI)。

如果將C++對(duì)象模型應(yīng)用在Point Class上，結(jié)構(gòu)圖如下：

優(yōu)點(diǎn)：空間和存取效率高，所有static data members以及所有的function members被獨(dú)立存儲(chǔ)在所有object之外，可以減少每個(gè)object的大小，而nonstatic data members存儲(chǔ)在每一個(gè)object中，又提升了存取效率。

缺點(diǎn)：如果應(yīng)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(dòng)模型在這方面提供了較大的彈性，因?yàn)樗嗵峁┝艘粚娱g接性，當(dāng)然是付出了時(shí)間和空間上的代價(jià)。

在加上繼承情況下的對(duì)象模型

C++支持單繼承、多繼承、虛繼承，下面來(lái)看下base class實(shí)體在derived class中是如何被構(gòu)建的。

簡(jiǎn)單對(duì)象模型中可以通過(guò)derived class object中的一個(gè)slot來(lái)存儲(chǔ)base class subobject的地址，這樣就可以通過(guò)該slot來(lái)訪問(wèn)base class的成員。這種實(shí)現(xiàn)方式的主要缺點(diǎn)是：因?yàn)殚g接性的存儲(chǔ)而導(dǎo)致空間和存取時(shí)間上存在額外負(fù)擔(dān)；優(yōu)點(diǎn)是：derived class的結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)?code>base class的改變而改變。

表格驅(qū)動(dòng)對(duì)象模型中可以利用一個(gè)類似base class table的表格來(lái)存儲(chǔ)所有基類的信息。該表格中存儲(chǔ)一系列slot，每個(gè)slot存儲(chǔ)一個(gè)base class的地址。這種實(shí)現(xiàn)方式的缺點(diǎn)是：因?yàn)殚g接性的存儲(chǔ)而導(dǎo)致空間和存取時(shí)間上存在額外負(fù)擔(dān)；優(yōu)點(diǎn)是：一是所有繼承的class都有一致的表現(xiàn)形式（包含一個(gè)base table指針，指向基類表）與基類的大小和數(shù)目沒(méi)有關(guān)系，二是base class table增加了子類的擴(kuò)展性，當(dāng)基類發(fā)生改變時(shí)，可以通過(guò)擴(kuò)展、縮小或者更改base class table來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

以上兩種實(shí)現(xiàn)方式都存在一個(gè)重要的問(wèn)題，就是由于間接性而導(dǎo)致的空間和時(shí)間上的額外負(fù)擔(dān)，并且該間接性的級(jí)數(shù)會(huì)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(chǔ)在子類當(dāng)中，這樣在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和訪問(wèn)效率上是最高效的。當(dāng)然也有缺點(diǎn)：當(dāng)base class members有任何改變，用到此base class或者derived class的對(duì)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(lái)支持該特性，一般會(huì)導(dǎo)入一個(gè)virtual base class table或者擴(kuò)展已有的virtual table。

總結(jié)

以上就是深入研究C++的對(duì)象模型的全部?jī)?nèi)容，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家有所幫助。

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