Inside The C++ Object Model 學習筆記 -- 關於對象

一. C/C++ 語言中的方法和數據

    1. C語言的數據和方法     語言中數據和處理(函數)是分開的，語言本身不支持數據和函數的關聯性。這種方法我們稱之爲：程序性的；它是由"分佈在各個以功能爲導向的函數中"d的算法所驅動，它們處理的是共同的數據。

     2. C++語言數據和方法
     C++中是通過ADT(Abstract Data Type, ADT)來實現的。 C++可以在不同層次上進行抽象，造成的複雜度可能也不一樣。
     書中從簡單到複雜四個層次的抽象: 簡單類、繼承、一個參數的Template、兩個參數的模板。

二.C++加上封裝後的佈局成本(Layout Costs for Adding Encapsulation)

    1. C++中的對象的佈局
    a. data member:  直接的包涵在每一個class object(注意: 類對象，不是類)之中，這和C struct的情況是一樣的
    b. member function: 它不出現在class object 之中.
       non-inline member: 它會產生一個行數的實體. 如果是非static的funciton, 每個function會加上一個this指針作爲function的第一個參數.
       inline member: 會在每一個使用者身上產生一個函數的實體。這一般是爲了提高效率。
   
    2. C++佈局和存取上的額外開銷
    a. virtual function 機制: 用以支持一個有效的"執行期綁定(runtime binding)" 
    b. virtual base class


三. C++對象模型(The C++ Object Model)

    1. 簡單對象模型(A Simple Object Model)
    這種模型中，每個object是一系列的slots, 每個slot指向一個member. 每個member按其申明的次序各佔用一個slot. 這裏的member包括data member 和 function member. 每個member是通過slot的索引來訪問的。
    具體的模型參看: 
   

    2. 表格驅動模型(A Table-driven Object Model)
    這種模型中把class object的members分組放在一個data member table 和一個function member table中，class object內含兩個指向table的指針. member function table 是一系列的slots, 每個slot指向一個function member. data member table 則是直接的包涵有data本身。
    具體的模型參看: 
   

    3. C++對象模型(The C++ Object Model)
    C++的對象模型如下:
    a. nostatic data members 被直接的配置在每一個class object之內。
    b. static data member 、static 和 nonstatic function members全部被放在所有的class object 之外。
    c. virtual functions 則是以下列步驟支持的：
        i. 每一個class 產生一堆指向virtual functions的指針，放在表格之中，我們稱這個表格爲：virtual table(vtbl).
 ii. 每個得class object 被添加了一個指針，指向相關的virtual table，我們把class object的這個指針稱之爲vptr(virtual pointer)；這個vptr的設定和重置是由類的constructor、destructor 和 copy assignment 運算符自動完成的；每個類的type_info object也是經由virtual table指出的，通常是放在表格的第一個slot處。
    具體的模型參看: 
     

    d. 加上繼承(Adding Inheritance)
    在 A Simple Object Model 中，每一個基類可以被derived class object的一個slot指出，該slot內含base class subobject的地址。
    在虛擬繼承的情況下，base class 不管在繼承鏈中被派生多少次，永遠只有一個實體(subobject). 書中以iostream繼承體系說明。

    C++中的base class subobject的data members直接放置於derived class object中。那麼它的function members是怎麼處理的呢？(我沒有理解這塊)
    對於virtual base class, C++ 2.0 是在class object中添加一個關聯 virtual base class object的指針。

    e. 對象模型對程序的影響
    我覺得書上的這段代碼非常好的體現了不同模型對程序的影響
    預定義 class X 如下：
   

class  X
{
public :
     virtual   ~ X() {  }
    X &  X( const  X &  rhs) {  }

     virtual   void  foo() {  }
}

//  定義一個方法
X foobar()
{
    X xx;
    X  * px  =   new  X();
     //  
    xx.foo();
    px -> foo();

     //
    delete px;
     return  xx;
}

//  這個函數可能的轉化爲：
void  foobar(X &  _result)
{
    _result.X::X();
 
     //
    px  =   new (  sizeof (X) );
     if (px  !=   0 )
        px -> X::X();

     //  這裏是不使用virtual 機制的foo調用
     //  注意這裏的調用方法，不是用vtbl, 
     //  這樣如果有從class X 繼承的類初始化或賦值給X基類時，
     //  調用foo的方法是X的方法, 是編譯時確定的
    foo( & _result);

     //  是用virtual 機制的foo調用, 它是運行時確定的
 ( * px -> vtbl[ 2 ])(px);

      //  delete px 
      if (px  !=   0 )
  {
         ( * px -> vtbl[ 1 ])(px);   //  destructor
         _delete(px);
     }

      //  
      return  ;

四. 關鍵詞所帶來的差異(A Keyword Distinction)
    討論了class 和 struct 的差異和選擇

五. 對象的差異( A Object Distinction)

    1. C++程序設計模型支持三種programming paradigms.
    a. 程序模型(procedural model) 就是像 C 一樣進行編程
    b. 抽象數據類型模型(abstract data type model, ADT) 用對象進行編程
    c. 面向對象模型(object-oriented model)
    模型中有一些彼此相關的類型，通過一個抽象的base class被封裝起來(也就是：接口)。類型之間的操作是通過接口進行的。

    純粹的以一種paradigm寫程序是好的.(哈哈，好像這不太可能，我還做不到)

   二. 面向對象模型(object-oriented model)
    a . C++中多態支持性的支持是通過: pointer 和 reference來實現的.
    多態通過下面三種方法來支持:
        i. 經由一組隱含的轉化操作:   shape *ps = new circle();
        ii. 經由virtual function 機制  ps->rotate();
        iii. 經由 dynamic_cast和typeid來支持:
             if(circle *pc = dynamic_cast<circle*>(ps)) ...
   多態內存需求
       i. 其 nonstatic data members 的總和大小
       ii. 任何字節對齊的額外填充(padding)
       iii. 支持virtual 而產生的額外負擔
    
    b. 指針的類型
    "指向不同類型的各指針"的差異，不在於其指針的表示法不同，也不在於其內容的不同， 而是其尋址出來的object的類型不同。也就是說"指針類型"會教導編譯器如何解釋某個特定地址中的內存內容及其大小.

    c.  加上多態之後(Adding Polymorphism)
    以如下爲例:    

 1 class  Bear :  public  ZooAnimal
 2 { 
 3 public : 
 4     Bear(); 
 5      ~ Bear(); 
 6
 7      //   
 8      void  rotate(); 
 9      virtual   void  dance(); 
10
11      //   
12 protected : 
13      enum  Dances  {  } ; 
14
15     Dances dances_known; 
16      int  cell_block; 
17 } ; 
18
19 /**/ ///
20 Bear b(  " Yogi "  ); 
21 Bear  * pb  =   & b; 
22 Bear  & rb  =   * pb; 
23

    具體的內存佈局如 
    
   

    //
    現有   

1 Bear b;
2 ZooAnimal *pz = &b;
3 Bear *pb = &b;
4 

以上每個都指向Bear object的第一個byte，其間的差別是，pb所涵蓋的地址包含整個的Bear object, 而pz所涵蓋的地址只包含Bear object中的 ZooAnimal subobject部分。你只能用pz來處理Bear中的virtual functions, 而不能直接的處理Bear中的其他任何members.
    注意pz的類型將在編譯時確定以下兩點:
     i. pz固定的可用接口
     ii. pz的接口的access level；因爲子類的access level可能是不同於基類的，編譯時會檢測是否可以轉換。

    e. 對象賦值問題
 

 Bear b; 
 ZooAnimal za  =  b; 

  //  ZooAnimal::rotate() invoked 
 za.rotate(); 

    這裏有兩個問題
    i. za爲什麼調用的是ZoomAnimal::rotate的實體而不是 Bear的實體?
   答：za並不是一個Bear, 它只是一個ZoomAnimal, 多態的這種特性不能用在直接存取的objects上。所以  za.rotate()調用只能是 ZooAnimal::rotate()

    ii. 如果初始化函數將一個object的內容完全拷貝到另一個object中去，爲什麼za的vpt不是指向Bear的virtual table呢？
    答：編譯器在初始化或賦值操作時，如果某個object含有一個或多個vptrs, 那麼這些vptrs的內容不會被原對象初始化或改變.
 例如上例的 ZooAnimal za = b, 這裏的vptr並不會被 b 的vptr所替代.