深度探索C++对象模型（四）Function语意学

本文主要是介绍深度探索C++对象模型（四）Function语意学，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

C++支持三种类型member functions：static、nonstatic和virtual，每一种类型被调用的方式都不相同。
（一）Member的各种调用方式

1、Nonstatic Member Functions（非静态成员函数）
C++的设计准则之一就是：nonstatic member function至少必须和一般的nonmember function有相同的效率。也就是说，如果我们要在以下两个函数之间做选择：

    float magnitude3d(const Point3d *_this){...}float Point3d::magnitude3d()const {...}

选择member function不应该带来什么额外负担。这是因为编译器内部已将“member 函数实例”转换为对等的“nonmember函数实例”。
乍见之下似乎nonmember function比较没有效率，它间接地经由参数取用坐标成员，而member function确实直接取用成员。然而实际上member function被内化为nonmember的形式。下面就是转化步骤：
a、改写函数的signature（函数原型）以安插一个额外的参数到member function中，用以提供一个存取通道，使class object得以将此函数调用。该额外参数被称为this指针。
b、将每一个“对nonstatic data member的存取操作”改为经由this指针来存取；
c、将member function重新写成一个外部函数。将函数名称经过“mangling”处理，使它在程序中称为独一无二的词汇。

名称的特殊处理（Name Mangling）
一般而言，member的名称前面会被加上class名称，形成独一无二的命名。例如下面的声明：

class Bar{public：int ival;...};

其中的ival有可能变成这样：
//member经过name-mangling之后的可能结果之一
ival_3Bar

为什么编译器要这么做？请考虑这样的派生操作：
class Foo：public Bar { public：int ival；…};
记住，Foo对象内部结合了base class 和derived class 两者：
//C++ 伪码
//Foo的内部描述

//C++ 伪码
//Foo的内部描述
class Foo
{public：int ival_3Bar;int ival_3Foo;...
};

由于member function可以被重载化，所以需要更广泛的mangling手法，以提供绝对独一无二的名称。

Virtual Member Functions（虚拟成员函数）

如果normalize()是一个virtual member function，那么以下的调用：

ptr->normalize();

将会被内部转化为：

（*ptr->vptr[1]）(ptr);

其中：
a、vptr表示由编译器产生的指针，指向virtual table。它被安插在每一个“声明有（或继承自）一个或多个virtual functions”的class object中。事实上其名称也会被“mangled”,因为在一个复杂的class派生体系中，可能存在多个vptrs。
b、1时virtual table slot的索引值，关联到normalize()函数。
c、第二个ptr表示this指针。

Static Member Functions（静态成员函数）
在引入static member functions之前，C++语言要求所有的member functions都必须经由该class的object来调用。而实际上，只有当一个或多个nonstatic data members在member function中被直接存取时，才需要class object。Class object提供了this指针给这种形式的函数调用使用。这个this指针把“在member function中存取的nonstatic class members”绑定于“object内对应的members”之上。如果没有任何一个members被直接存取，事实上就不需要this指针，因此也就没有必要通过一个class object来调用一个member function。不过C++语言到目前为止并不能辨识这种情况。

这么一来就在存取static data members时产生了一些不规则性。如果class的设计者把static data member声明为nonpublic（这一直被视为是一种好的习惯），那么他就必须提供一个或多个member functions来存取该member。因此，虽然你可以不靠class object来存取一个static member，但其存取函数却得绑定于一个class object之上。

static member functions的主要特性就是它没有this指针。以下的次要特性统统根源于其主要特性：
1）它不能够直接存取其class中的nonstatic members。
2）它不能够被成名为const、volatile或virtual。
3）它不需要经由class object才被调用——虽然大部分时候它是这样被调用的！

如果取一个static member function的地址，获得的将是其在内存中的位置，也就是其地址。由于static member function没有this指针，所以其地址的类型并不是一个“指向class member function的指针”，而是一个“nonmember函数指针”。

（二）Virtual Member Functions(虚拟成员函数)
每一个class有一个virtual table，内含该class之中有作用的virtual function的地址，然后每个object有一个vptr，指向virtual table的所在。

在C++中，多态表示“以一个public base class的指针（或reference），寻址出一个derived class object”的意思。
识别一个class是否支持多态，唯一适当的方法就是看看它是否有任何virtual function。只要class拥有一个virtual function，它就需要这份额外的执行期信息。
在实现上，首先我们可以在每一个多态的class object身上增加两个members：
a、一个字符串或数字，表示class的类型；
b、一个指针，指向某表格，表格中持有程序的virtual functions的执行期地址。

表格中的virtual functions地址如何被建构起来？在C++中，virtual functions（可经由其class object被调用）可以在编译时期获知。此外，这一组地址是固定不变的，执行期不可能新增或替换之。由于程序执行时，表格的大小和内容都不会改变，所以其建构和存取皆可以由编译器完全掌控，不需要执行期的任何介入。

然而，执行期备妥那些函数地址，只是解答的一半而已。另一半解答是找到那些地址。两个步骤可以完成这项任务：
a.为了找到表格，每一个class object被安插了一个由编译器内部产生的指针，指向该表格。
b、为了找到函数指针，每一个virtual function被指派一个表格索引值。

这些工作都由编译器完成。执行期要做的，只是在特定的virtual table slot（记录着virtual function的地址）中激活virtual function。

一个class只会有一个virtual table。每一个table内含其对应之class object中所有active virtual functions函数实例的地址。这些active virtual functions包括：
a、这一class所定义的函数实例。它会改写（overriding）一个可能存在的base class virtual function函数实例。
b、继承自base class的函数实例。这是在derived class决定不改写virtual function时才会出现的情况。
c、一个pure_virtual_called()函数实例，它既可以扮演pure virtual function的空间保卫者角色，也可以当做执行期异常处理函数（有时候会用到）。

每一个virtual function都被指派一个固定的索引值，这个索引在整个继承体系中保持与特定的virtual function的关系。

当一个class派生自Point时，会发生什么事？例如class point2d：
一共有三种可能性：
a、它可以继承base class所声明的virtual functions的函数实例。正确地说是，该函数实例的地址会被拷贝到derived class的virtual table的相对应slot之中。
b、它可以使用自己的函数实例。这表示它自己的函数实例地址必须放在对应的slot之中。
c、它可以加入一个新的virtual function。这时候virtual table的尺寸会增大一个slot，而新的函数实例地址会被放进该slot之中。

我如何有足够的知识在编译时期设定virtual function的调用呢？
a、一般而言，在每次调用z()时，我并不知道ptr所指对象的真正类型。然而我知道，经由ptr可以存取到该对象的virtual table。
b、虽然我不知道哪一个z()函数实例会被调用，但我知道每一个z()函数地址都被放在slot 4中。

在一个单一继承体系中，virtual function机制的行为十分良好，不但有效率而且很容易塑造出模型来。但是在多重继承和虚拟继承之中，对virtual functions的支持就没有那么美好了。

多重继承下的Virtual Functions
在多种继承中支持virtual functions，其复杂度围绕在第二个及后继的base classes身上，以及“必须在执行期调整this指针”这一点。以下面的class体系为例：

//class 体系，用来描述多重继承（MI）情况下支持virtual function时的复杂度
class Base1{
public：Base1();virtual ~Base1();virtual void speakClearly();virtual Base1 *clone() const;
protected:float data_Base1;
};
class Base2{
public:Base2();virtual ~Base2();virtual void mumble();virtual Base2 *clone() const;
protected:float data_Base2;
};
class Derived :public Base1,public Base2{
public:Derived();virtual ~Derived();virtual Derived *clone() const;
protected:float data_Derived;
};

“Derived支持virtual functions”的困难度，统统落在Base2 subobject身上。有三个问题需要解决，以比例而言分别是（1）virtual destructor，（2）被继承下来的Base2::mumble(),(3)一组clone()函数实例。

一条规则是，经由指向“第二或后继之base class”的指针（或reference）来调用derived class virtual function。

所谓thunk是一小段assembly代码，用来(1)以适当的offset值调整this指针，(2)跳转virtual function去。
Thunk技术允许virtual table slot继续内含一个简单的指针，因此多重继承不需要任何空间上的额外负担。Slots中的地址可以直接指向virtual function，也可以指向一个相关的thunk（如果需要调整this指针的话）。于是，对于那些不需要调整this指针的virtual function而言，也就不需要承载效率上的额外负担。
调整this指针的第二个额外负担就是，由于两种不同的可能：(1)经由derived class(或第一个base class)调用，(2)经由第二个（或其后继）base class调用，同一函数在virtual table中可能需要多笔对应的slots。例如：

Base1 *pbase1=new Derived;
Base2 *pbase2=new Derived;delete pbase1;
delete pbase2;

虽然两个delete操作导致相同的Derived destructor，但它们需要两个不同的virtual table slots:
1、pbase1不需要调整this指针（因为Base1是最左端base class之故，它已经指向Derived对象的起始处）。其virtual table slot需放置真正的destructor地址。
2、pbase2需要调整this指针。其virtual table slot需要相关的thunk地址。

在多重继承之下，一个derived class内含n-1个额外的virtual tables，n表示其上一层base classes的个数（因此，单一继承讲不会有额外的virtual tables）。对于本例的Derived而言，会有两个virtual tables被编译器产生出来：
1、一个主要实例，与Base1（最左端base class）共享。
2、一个次要实例，与Base2（第二个base class）有关。
针对每一个virtual tables，Derived对象中对应的vptr。vptrs在constructor(s)中被设立初值（经由编译器所产生出来的代码）。
用以支持“一个class拥有多个virtual tables”的传统方法是，将每一个tables以外部对象的形式产生出来，并给予独一无二的名称。例如，Derived所关联的两个tables可能有这样的名称：

vtbl_Derived;             //主要表格
vtbl_Base2_Derived；      //次要表格

于是当你将一个Derived对象地址指定给一个Base1指针或Derived指针时，被处理的virtual table是主要表格vtbl_Derived。而当你将一个Derived对象地址指向给一个Base2指针时，被处理的virtual table是次要表格vtbl_Base2_Derived。

虚拟继承下的Virtual Functions
考虑下面的virtual base class派生体系，从Point2d派生出Point3d：

class Point2d{
public:Point2d(float=0.0,float=0.0);virtual ~Point2d();virtual void mumble();virtual float z();// ...
protected:float _x,_y;
};class Point3d:public virtual Point2d{
public:Point3d(float=0.0,float=0.0,float=0.0);~Point3d();float z();
protected:float _z;
};

虽然Point3d有唯一一个（同时也是最左边的）base class，也就是Point2d,但Point3d和Point2d的起始部分并不像“非虚拟的单一继承”情况那样一致。这种情况显示于下图。由于Point2d和Point3d的对象不再相符，两者之间的转换也就需要调整this指针。至于在虚拟继承的情况下要消除thunks，一般而言已经被证明是一项高难度技术。

(三)函数的效能
多重继承中的virtual function的调用，似乎用掉了较多的成本，这令人感到困惑。当有人期望编译器实现出thunk模型以调用第二个或后继的base class的virtual function，而用来测试的这两个编译器却不支持thunk技术时，就会得到这种结果。由于this指针的调整已经施行于单一继承和多重继承中，其额外负担不能用来解释这项成本。
在单一继承情况下执行测试时，每多一层继承，virtual function的执行时间就有明显的增加。不管单一继承的深度如何，主循环中用以调用函数的代码事实上是完全相同的；同样的道理，对于数据的处理也是完全相同的。其间的不同，就是cross_product()中出现的局部性Point3d class object pC 。增加继承深度，就多增加执行成本，这一事实上反应出PC身上的constructor的复杂度。这也能够解释为什么多重继承的调用另有一些额外负担。
导入virtual function之后，class constructor将获得参数以设定virtual table指针。CC和NCC都不能够把这个设定操作在“无任何virtual function的base class”建构时优化，所以每多一层继承，就会多增加一个额外的vptr设定。
在这些编译器中，每一个额外的base class或额外的单一继承层次，其constructor内会被加入另一个对this指针的测试。若执行这些constructor 1000万次，效率就会因此下降至可以测试的程度。这种效率表现明显反映出一个编译器的反常，而不是对象模型的不正常。

（四）指向Member Function的指针
取一个nonstatic data member的地址，得到的结果是该member在class布局中的bytes位置（再加1）。它是一个不完整的值，它需要被绑定于某个class object的地址上，才能够被存取。
取一个nonstatic member function的地址，如果该函数是nonvirtual，得到的结果是它在内存中真正的地址。然而这个值也是不完全的。它也需要被绑定于某个class object的地址上，才能够通过它调用该函数。所有的nonstaic member functions都需要对象的地址（以参数this指出）。
指向member function的指针的声明语法，以及指向“member function运算符”的指针，其作用是作为this指针的空间保留者。这也就是为什么static member functions（没有this指针）的指针是“函数指针”，而不是“指向member function的指针”之故。
使用一个“member function指针”，如果并不用于virtual function、多重继承、virtual base class等情况的话，并不会比使用一个“nonmember function指针”的成本更高。上述三种情况对于“member function指针”的类型以及调用都太过复杂。事实上，对于那些没有virtual functions、virtual base class或multiple baseclasses的classes而言，编译器可以为它们提供相同的效率。

支持“指向Virtual Member Functions”的指针
考虑下面的程序片段：

float （Point::*pmf）()=&Point::z;
Point *ptr= new Point3d;

pmf，一个指向member function的指针，被设值为Point::z()（一个virtual function）的地址。ptr则被指定以一个Point3d对象。如果我们直接经由ptr调用在z():

ptr->z();

被调用的是Point3d::z()。但如果我们从pmf间接调用z()呢？

(ptr->*pmf)();

仍然是Point3d::z()被调用？也就是说，虚拟机制仍然能够在使用“指向member function之指针”的情况下运行吗？答案是yes，问题是如何实现呢？

例如，假设我们有以下的Point声明：

class Point
{
public：virtual ~Point（）；float x();float y();virtual float z();//...
};

对一个nonstatic member function取其地址，将获得该函数在内存中的地址。然而面对一个virtual function，其地址在编译时期是未知的，所能知道的仅是virtual function在其相关之virtual table中的索引值。也就是说，对一个virtual member function取其地址，所能获得的只是一个索引值。
对一个“指向member function的指针”评估求值，会因为该值有两种意义而复杂化；其调用操作也将有别于常规调用操作。pmf的内部定义，也就是：float （Point::*pmf）();
必须允许此函数能够寻址出nonvirtual x()和virtual z()两个member functions，而那两个函数有着相同的原型：

//两者都可以被指定给pmf
float Point::x(){return _x;}
float Point::z(){return 0;}

只不过其中一个代表内存地址（一长串），另一个代表virtual table中的索引值（一小段）。因此，编译器必须定义pmf，使它能够(1)持有两种数值，(2)更重要的是其数值可以被区别代表内存地址还是virtual table中的索引值。

在多重继承之下，指向Member Functions的指针
为了让指向member functions的指针也能够支持多重继承和虚拟继承，Stroustrup设计了下面一个结构体：

//一般结构，用以支持在多重继承之下指向member functions的指针
struct _mptr{int delta;int index;union{ptrtofunc faddr;int       V_offset;};
};

index和faddr分别（不同时）持有virtual table索引和nonvirtual member function地址（为了方便，当index不指向virtual table时，会被设为-1）。在此模型之下，像这样的调用操作：（ptr->*pmf）();
会变成：

（pmf.index<0）
?//non-virtual invocation
(*pmf.faddr)(ptr)
://virtual invocation
(*ptr->vptr[pmf.index](ptr));

此法所受到的批评是，每一个调用操作都得付出上述成本，检查其是否为virtual或nonvirtual。Microsoft把这项检查拿掉，导入一个它所谓的vcall thunk。在此策略之下，faddr被指定的要不就是真正的member function地址（如果函数是nonvirtual的话），要不就是vcall thunk的地址。于是virtual或nonvirtual函数的调用操作透明化，vcall thunk会选出并调用相关virtual table中的适当slot。
这个结构体的另一个副作用就是，当传递一个不变值的指针给member function时，它需要产生一个临时性对象。

（五）Inline Functions
实际上我们并不能够强迫将任何函数都编程inline。关键字inline（或者class declaration中的member function或friend function的定义）只是一项请求。如果这项请求被接受，编译器就必须认为它可以用一个表达式合理地将这个函数扩展开来。
当我说“编译器相信它可以合理地扩展一个inline函数”时，我的意思是在某个层次上，其执行成本比一般的函数调用及返回机制所带来的负荷低。

一般而言，处理一个inline函数，有两个阶段：
1、分析函数定义，以决定函数的“intrinsic inline ability”(本质的inline能力)。“intrinsic”（本质的、固有的）一词在这里意指“与编译器相关”。
如果一个函数因其复杂度，或因其构建问题，被判断不可成为inline，它会被转为一个static函数，并在“被编译模块”内产生对应的函数定义。在一个支持“模块个别编译”的环境中，编译器几乎没有什么权宜之计。理想情况下，链接器会被产生出来的重复东西清理掉。然而一般来说，目前市面上的链接器并不会讲“随此调用而被产生出来的重复调试信息”清理掉。
2、真正的inline函数扩展操作是在调用的那一点上。这会带来参数的求值操作以及临时性对象的管理。

形式参数（Formal Arguments）

在inline扩展期间，每一个形式参数都会被对应的实际参数取代。如果说副作用，那就是不可以只是简单地一一封塞程序中出现的每一个形式参数，因为这将导致对于实际参数的多次求值操作。一般而言，面对“会带来副作用的实际参数”，通常都需要引入临时性对象。换句话说，如果实际参数是一个常量表达式，我们可以在替换之前先完成其求值操作；后继的inline替换，就可以吧常量直接“绑”上去。如果既不是常量表达式，也不是个带有副作用的表达式，那么就直接代换之。

局部变量（Local Variables）

一般而言，inline函数中的每一个局部变量都必须被放在函数调用的一个封闭区段中，拥有一个独一无二的名称。如果inline函数以单一表达式扩展多次，则每次扩展都需要自己的一组局部变量。如果inline函数以分离的多个式子被扩展多次，那么只需一组局部变量，就可以重复使用。
inline函数中的局部变量，再加上有副作用的参数，可能会导致大量临时性对象的产生。特别是如果它以单一表达式被扩展多次的话。
Inline函数对于封装提供了一种必要的支持，可以有效存取封装于class中的nonpublic数据。它同时也是C程序中大量使用的#define（前置处理宏）的一个安全代替品——特别是如果宏中的参数有副作用的话。然而一个inline函数如果被调用太多次的话，会产生大量的扩展码，使程序大小暴涨。

参考资料：《深度探索C++对象模型》

这篇关于深度探索C++对象模型（四）Function语意学的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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