C++ 对象模型

在 C 语言中，“数据”和“处理数据的操作”（函数）是分开来声明的，也即，语言本身并没有支持“数据和函数”之间的关联性。我们把这种程序方法，称为程序性的（procedural），由一组“分布在各个以功能为导向的函数中”的算法所驱动，它们处理的是共同的外部数据。

也即过程式编程语言的特质是：数据和函数各自分开声明，不支持数据和函数之间的关联性。

举个例子，我们声明一个 struct Point3d，像这样：

typedef struct point3d
{
    float x;
    float y;
    float z;
} Point3d;

欲打印一个 Point3d，可能需要定义这样一个函数：

void Point3d_print(const Point3d* pt)
{
    printf("(%g, %g, %g)", pt->x, pt->y, pt->z);
}

或者，如果要更有效率一点，就定义一个宏：

#define Point3d_print(pd)\
    printf("(%g, %g, %g)", (pd)->x, (pd)->y, (pd)->z); // (pd)->x
                // 是避免传递进来的是 &p;
                // -> 的优先级要高于 &

在 C++ 中，Point3d 可能采用独立的“抽象数据类型（Abstract Data Type， ADT）”来实现：

class Point3d
{
public:
    Point3d(float x = 0.0, float y = 0.0, float z = 0.0) :
        _x(x), _y(y), _z(z) {   }
    float x() const{ return _x; }
    float y() const{ return _y; }
    float z() const{ return _z; }
    void x(float x) { _x = x; }
    ...
private:
    float _x;
    float _y;
    float _z;
};

加上封装后的布局成本（Layout Costs for Adding Encapsulation）

将数据成员及对数据成员的存取函数置于一个类体之内，即为封装。

程序员看到 Point3d 转换到 C++ 之后，第一个可能的问题就是：加上封装之后，布局成本增加了多少？答案是，class Point3d 并没有增加成本。三个 data members 直接包含在每一个 class object 中，和 C struct 一样。而 member functions 虽然在 class 的声明之内，却不出现在 object 之中。每一个 non-inline member function 都会诞生一个函数实例。

Point3d 支持封装性质，这一点并未给它带来任何空间或执行期的不良后果，你即将看到，C++ 在布局以及存取时间上主要的额外负担是由 virtual 引起的。

• （1）virtual function 机制，用以支持一个有效的“执行期绑定（runtime binding）”
• （2）virtual base class。

C++ 对象模型

C++ 中，

• class data members：

  • static
  • non-static，

• class member functions：

  • static
  • non-static
  • virtual

考虑如下的函数声明：

class Point
{
public:
    Point(float x);
    virtual ~Point();
    float x() const;
    static int PointCount();
protected:
    virtual std::ostream& print(std::ostream& os) const;
    float _x;
    static int _point_count;
};

这个 class Point 在机器中将会如何表现呢？也即，我们如何模塑（modeling）出各种 data members 和 function members 呢？

C++ 对象模型：

• Non-static data members：每一个对象之内
• static data members， static and nonstatic function members 都被放在个别的对象之外。

virtual functions 则以两个步骤支持：

• （1）每一个 class 产生出一堆指向 virtual functions 的指针，放在表格之中，这个表格称为 virtual table（vtbl）

• （2）每一个 class object 被安插一个指针，指向相关的 virtual table。通常这个指针被称为 vptr。vptr 的设置（setting）和重置（resetting）都由每一个类的constructor、destructor、copy assignment 运算符自动完成。每一个 class 所关联的 type_info object （用以支持 runtime_type identification，RTTI）也经由 virtual table 被指出来，通常放在表格的第一个 slot。

此 C++ 对象模型的：

• （1）优点：空间和存取时间的效率，
• （2）缺点：如果应用程序代码本身未曾改变，但所用到的 class objects 的 nonstatic data members 有所修改（增加、移除或更改），那么那些应用程序代码同样重新编译。