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c++ 对象模型 函数

member functions的调用方式

  • c++支持三种类型的member functions：static、nonstatic、virtual，且每一种调用方式不尽相同

nonstatic member functions

  • nonstatic member function至少和nonmember function有着相同的效率

​ 现有如下函数调用：

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float do(const A *_this) {...}
float A::do() const {...}

//第一个函数转换
float do(const A *_this)
{
    
    return sqrt(
    	_this->x * _this->x + _this->y * _this->y + _this->z * _this->z
    )
        
};

//第二个nonstatic member function转换成上面相同的形式nonmember function

  • nonstatic member function转化为 nonmember function步骤：

    • 改写函数原型以安插一个额外参数到member function，将提供class object存取渠道，此参数也就是this指针。若member function为const，this也需加个const

      float do(const A* const _this)

    • 将每个对nonstatic data member的存取操作改为this指针

      _this->x * _this->x + _this->y * _this->y + _this->z * _this->z

    • 将member function经过mangling处理重新写为一个外部函数，且名称是独一无二的

      extern do_7AFv(  A* const this );

  • 一般而言，data member的名称前会加上class名称，形成独一无二的命名；而member function则还需加上参数链表

    class B { public: int val; ... };

//对val进行name mangling
val_3;

-----------------------
    
class C
{
    public:
    	void x(float newX);
    	float x();
}

//member function进行name mangling
void x__5CFf(float newX);
float x__5CFv();

virtual member functions

​ 现有如下代码：

class A
{
    virtual A do1() const;
    virtual float do2() const;
}

A a;
A* pt = &a;

pt->do1();
//转化
( *pt->vptr[1] )(pt);

float d = do2();
//转化
float d = ( *this->vptr[2] )( this );

a.do1();
//转化
( *a.vptr[1] )( &a );

​ ( * pt -> vptr [1] )( pt )其中：1为virtual table slot的索引值，关联到virtual member function，也就是do1()

​ ( *a.vptr[1] )( &a ) 没有必要，应该这样调用：A::do1()

  • 经由class object调用virtual function优化跟nonstatic member function一样

  • 为支持virtual function机制，需要能对多态对象进行执行期类型判断，将必要信息加在指针或引用上。而必要信息则有：

    • 指针或引用指向的对象的地址
    • 对象类型的结构的地址

  • 多态表示用一个public base class的指针或引用寻址一个derived class object

    Point* ptr;
ptr = new Point2d;

    • 当前ptr被称为消极的多态形式，可以在编译时期完成（virtual base class除外）；当ptr指出的具体对象被使用时才是积极的

      ptr->z();

    • class是否支持多态，唯一方法是看其是否有virtual function

  • 实现多态。我们需要在每个class object上增加两个members：

    • 一个字符串或数字，表示class类型
    • 一个指针，指向一表格，表格中含有virtual functions执行期地址

  • 随后只需两步即可找到其地址：

    • 每个class object安插一个由编译器生成的指针，该指针指向表格
    • 每个virtual function被指派一个表格索引值

  • 一个class只有一个virtual table，每个table内含对应的class object中的active virtual functions实例地址。而active virtual functions又包括：

    • 这一class定义的函数实例
    • 继承自base class的函数实例
    • 一个pure virtual called函数

  • 对于多重继承，销毁对象时若调用delete需要指向derived class object的起始处，但因为指针或引用真正所指的对象在执行期才可以确定，所以offset无法在编译期求得。针对多重继承这种情况，derived class需要内含n-1个额外的virtual tables（n表示其上一层base classes个数）。那么如何支持一个class拥有多个virtual tables呢？只需将每一个tables以外部对象的形式产出，并赋予独一无二的名称

  • 不要在virtual base class中声明nonstatic data members

static member function

  • static member function特性：
    • 没有this指针，成为一个callback函数
    • 不可直接存取class中的nonstatic members
    • 不可被声明为const、volatile、virtual
    • 不需要经由class object调用
  • static member function同样也有name mangling
  • 对static member function取地址，得到的是内存中的地址；由于没有this指针，static member function地址类型是一个nonmember函数指针

指向member functions 的指针

  • 指向member function的指针和指向member selection operator的指针，其作用是作为this指针的空间保留者。这也说明了为什么static member function的指针类型是函数指针，毕竟其没有this指针

  • 使用member function指针，若不用于virtual function、多重virtual继承、virtual base class，其成本跟用nomember function指针差不多

  • virtual member function的地址在编译期是未知的，我们所能知道的仅是virtual function在其相关之virtual table的索引值

inline functions

  • inline关键词只是一个请求，若此请求被编译期接受，编译期则认为其可以用一个表达式将函数展开

  • inline函数的复杂度通过计算assignments、function calls、virtual function calls等操作的次数以及每个表达式种类的权值综合决定

  • 若函数因其复杂度或建构问题，被判断不可称为Inline，那么此函数将被转换为static函数，并在"被编译模块"内产生对应的函数定义

  • inline function展开期间，做了以下三件事：

    • 每个形参都被对应的实参取代。但这其中可能会导致实际参数的多次求值，面对这种情况，需要引入临时对象。比如，若实际参数是常量表达式，在替换前先引入临时对象，常量表达式求值后赋值给临时对象，后继inline替换只需使用临时对象

      inline int min( int i, int j )
{
    return i < j ? i : j;
}

inline int bar()
{
    int minval;
    
    minval = min( foo(), bar() + 1 );
    
    return minval;
}

//minval = min( foo(), bar() + 1 )展开
int t1, t2;

minval = ( t1 = foo() ), ( t2 = bar() + 1 ), t1 < t2 ? t1 : t2;

    • 若内含局部变量，则需将局部变量放在函数调用的一个封闭区段，且拥有一个独一无二的名称。因为，如果Inline以单一表达式的方式扩展多次，每次扩展都需要自己的局部变量，特别是还含有副作用参数，可能会导致大量临时性对象产生；但如果是分离成多个式子扩展多次，只需一组局部变量即可重复使用

      inline int min( int i, int j )
{
    int minval = i < j ? i : j;		//局部变量
    return minval;
}

{
    ...
    //minval = min(val1, val2);
    int __min_lv_minval;
    minval = (__min_lv_minval = val1 < val2 ? val1 : val2), __min_lv_minval;
}

    • inline函数提供强有力的工具，但于noninline函数相比还是需要更小心地处理

  • 尽量不要Inline中套inline，可能会使简单的Inline因其连锁复杂度而没办法展开


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