• C語言中，資料與處理資料的操作（函式）是分開宣告的，這種程式方法被稱為程式性的；而在c++中，則是使用abstract data type（ADT）或class hierarchy的資料封裝
• c++對于結構體和函式（不包含virtual和non-inline）的封裝并沒有增加布局成本，對于C++而言，在布局以及存取時間上主要的額外負擔是由virtual引起
  • virtual function
  • virtual base class

The c++ Object Model

• c++中，有兩種class data members：static and nonstatic，和三種class member functions：static、non-static and virtual

• 現有以下class宣告：

  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;
  }
  

• 此 class 可以通過三種object models表示

A Simple Object Model

• 一個object是一系列slots，每一個slots指向一個member，Members按其宣告順序，各被指定一個slot，每一個data member or function member都有自己的一個slot

• 目的：盡量減低C++ complier的設計復雜度，但會損失空間和執行器的效率

  

  • 意義：應用到c++的"指向成員的指標"觀念中

A Table-driven Object Model

• 將所有members的資訊抽離出來放在一個member data table 和 一個member function table中，而class則含有指向這兩個table的pointer

• 意義：成為virtual function的一個方案

The c++ Object Model

• 此模型從A Simple Object Model派生而來，并對記憶體空間和存取時間優化
• Nonstatic data members被配置于每一個class object內，static data members、Static function members、 nonstatic function members則被存放于個別的class object外，而用virtual functions來支持此model：
  • virtual tabel（vtbl）中存放一些指向由class生成的virtual functions的pointer
  • 每個class object安插一個指標（vptr），此指標指向相關的virtual table，而vptr的setting 和 resetting都有class里的constructor、destructor、copy assignment運算子自動完成，每個class關聯的type_info object（支持runtime type identification，RTTI）亦由virtual table指出，通常放于表格中的第一個slot
• 優點：空間和存取時間效率高
• 缺點：若應用程式本身未改變，而class內的nonstatic data members有所修改，則應用程式代碼需重新編譯

• c++支持單一繼承、多重繼承、虛擬繼承，虛擬繼承中，base class不管在繼承串鏈中被派生多少次，永遠只存在一個實體subobject

A Keyword Distinction

• C++為了維護和C之間的兼容性，為此付出了很多犧牲

int (*pq) ();

• 當語言無法區分此函式是declaration還是invocation時，需要一個超越語言范圍的規則，此規則會將此函式判斷為declaration
• struct的一個合理用途：將class object某個資料做封裝，達到與C的兼容的空間布局，只有composition才支持
• template并沒有兼容struct

An Object Distinction

• c++程式設計模型支持三種programming paradigms：
  • procedural model
  • abstract data type model
  • object-oriented model
• object-oriented model中，被指定的object的真實型別在每個特定執行點前無法決議，只有通過pointer 和 reference才能完成；相反，abstract data type model中，所處理的是一個固體且單一型別的實體，真實型別早在編譯時期就已定義，因此速度更快且空間排布更緊湊，但沒有彈性
• c++用三種方法支持多型：
  • 經由一組隱式轉化，如把derived class pointer轉化為public base type的pointer
  • 經由virtual function機制
  • 經由dynamic_cast和typeid運算子
• 多型主要用途：由一個共同的介面影響型別封裝，此介面通常被定義在抽象的base class
• class object所需的記憶體大小：
  • nonstatic data members的總和大小
  • 任何由于alignment（將數值調整到某數倍數）的需求而padding的空間
  • 支持virtual產生的額外負擔

The Type of a Pointer

• "指標型別"告訴編譯器如何解釋目的地址中的內容和大小，這也是為什么pointer和reference支持多型
• 我們并不知道void*指標涵蓋的地址空間，因此void*的指標只含有一個地址，且不能操作所指向的object
• cast本質上是編譯器指令，它并不改變指標所含的地址，而只影響"所指記憶體的大小和其內容"的解釋方式

Adding Polymorphism

class A
{
    public:
    	virtual action1();
    ...
}


class B : public A
{
    //以下皆為B獨有
    public:
    	...
    	void rotate();
    
    protected:
    	enum action2 {...};
    	int n;
}

B b;
A* p1 = &b;
B* p2 = &b;

• 顯然，我們并不不能用p1處理A以外的members，唯一方法是通過virtual

  //以下都可行
  (static_cast<B*> (p1))->n;
  
  if( B*p3 = dynamic_cast<B*>(p1) )	//此為run-time operation,成本較高
      p3->n;
  

p1->action1()

• p1將在編譯器決定以下兩點：
  • 固定的可用介面
  • 此介面的access level

B b;
A a1 = b;	//造成sliced

a1.action1();	//呼叫A中的

• 為什么a1中的vptr不會指向b的virtual table?
  • 編譯器需確保若object含有一個或一個以上的vptrs，這些vptrs內容不會被base class object初始化或改變
• 為什么action1()依舊是呼叫的A的？
  • 多型并不適用于直接存取objects

標籤：C++

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