C++额外负担

C++在布局以及存取时间上主要的额外负担是由virtual引起,包括:

  • virtual function机制,用以支持一个有效率的执行期绑定(runtime binding)
  • virtual base class,用以实现多次出现在继承体系中的base class,有一个单一而被共享的实体

3种对象模型

简单对象模型

一个对象是一系列的slots,每一个slots指向一个members,members按其声明次序,各被指定一个slot。每个成员数据或成员函数都有自己的一个slot。 该观念用在C++的指向成员的指针(point-to-member)观念之中。

表格驱动对象模型

对象本身内含一个指向data member table 的指针和一个指向member function table的指针,member function table 是一系列的slots,每一个slot指向一个member function; data member table 直接含有data本身。

  • 缺点:时间和空间效率低
  • 优点:有弹性

member function table 这个观念用在virtual function。

C++对象模型

非静态成员数据(nonstatic data members)被配置在每一个对象(class object)之内,静态成员数据(static data members)则被存储在对象之外。静态(static)和非静态成员函数(nonstatic function members)被放在所有的对象之外。虚函数则根据下面两个步骤实现:

1.每个类产生一堆指向虚函数的指针,放在vtbl(virtual table)表中。

2.每个对象被添加一个指针,指向相关的vtbl表,通常这个指针被称为vptr,vptr的设定(setting)和重置(resetting)都由每个类的构造函数,析构函数和赋值运算符自动完成,每个类所关联的type_info对象(用于支持RTTI)也经由vtbl被指出来,通常放在表中第一个slot处。

  • 缺点:如果应用程序代码没有改变,但所用到的对象的类非静态成员有所修改(增加,移除或更改),那么应用程序的代码同样需要重新编译。

  • 优点:空间和存取时间的效率高。

struct

为兼容c而存在的struct关键字,将C与C++组合在一起的做法: 1.从C struct 中派生C++部分:

struct C_point { ... };
class Point : public C_point { ... };

于是C和C++两种用法都可以得到支持:

extern void draw_line( Point, Point);
extern "C" void draw_rect(C_point, C_point);

draw_line(Point(0,0),Point(100,100));
draw_rect(Point(0,0),Point(100,100));

2.第一种方法已不再推荐,而使用组合代替继承:

struct C_point { ... };

class Point {
public:
    operator C_point() { return _c_point;}
    // ...
private:
    C_point _c_point;
    // ...
};

故,C struct在C++中的一个合理用途,是你要传递“一个复杂的class object的全部或部分”到某个C函数中去,struct声明可以将数据封装起来,并保证拥有与C兼容的空间布局。然而这项保证只在组合(composition)的情况下存在。如果是继承而不是组合,编译器会决定是否应该有额外的data members 被安插在base struct subobject之中。

三种程序设计典范(programing paradigms)

程序模型

函数式编程,就像C一样。

抽象数据类型模型(abstract data type model,ADT)

抽象是指和一组表达式一起提供,而其运算定义仍然隐而未明。封装类型使其像基本类型一样使用,如string类。

面向对象模型(object-oriented model, OO)

一些相关类型通过一个抽象的基类(共通接口)被封装起来。只有通过指针和引用的间接处理,才支持OO程序设计所需要的多态性质。

C++通过下列方法支持多态:

  • 经由一组隐含的转化操作,例如把一个derived class指针转化为一个指向其public base type的指针:
    shape *ps = new circle();
  • 经由virtual function机制:
    ps->rotate();
  • 经由dynamic_cast和typeid运算符:
    if (circle *pc = dynamic_cast(ps) ) ...

对象的内存大小

  1. 非静态成员数据的总和大小。
  2. 加上由于alignment(将数值调整到某数的倍数)的需求而填补上去的空间(存在members之间或集合体末尾)。
  3. 加上为支持virtual而由内部产生的任何额外负担。

C++通过class的指针和引用来支持多态,这种程序设计风格就称为面向对象。 在弹性(OO)和效率(OB)之间存在取舍,一个人在能够有效选择其一之前,必须先清楚两者的行为和应用领域的需求。

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