深入理解C++的对象模型
何为C++对象模型?
C++对象模型可以概括为以下2部分:
1. 语言中直接支持面向对象程序设计的部分
2. 对于各种支持的底层实现机制
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。
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member
,memebers
按照声明的顺序与slots
一一对应,这里的members
包括data members
和function members
。
如果将简单对象模型应用在Point Class上,结构图如下:
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 data
和member function
分别映射成两个表格member data table
和function 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:
优点:采用两层索引机制,对object
变化提供比较好的弹性,在object
的nonstatic 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slot
,type_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:
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class
的nonstatic 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
。
总结
以上就是深入研究C++的对象模型的全部内容,希望本文的内容对大家有所帮助。
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