何為C++對象模型？

C++對象模型可以概括為以下2部分：

     1. 語言中直接支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的部分

     2. 對于各種支持的底層實現(xiàn)機(jī)制

引言

現(xiàn)在有一個Point類，聲明如下：

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;
};

這個類在機(jī)器上是通過什么模型來表示的呢？下面就介紹三種不同的實現(xiàn)方式。

1. 簡單對象模型

簡單對象模型名副其實，十分簡單。在簡單對象模型中，一個 object是由一系列slots組成，每個slot相當(dāng)于一個指針，指向一個member，memebers按照聲明的順序與slots一一對應(yīng)，這里的members包括data members和function members。

如果將簡單對象模型應(yīng)用在Point Class上，結(jié)構(gòu)圖如下：

優(yōu)點(diǎn)：十分簡單，降低了編譯器設(shè)計的復(fù)雜度。

缺點(diǎn)：空間和時間上的效率降低。由于所有member都對應(yīng)一個slot指針，所以每個object在空間上額外多出：member's number 乘以指針大小的空間。同時由于訪問object的每個member都需要一次slot的額外索引，所以在時間的效率也會降低。

2. 表格驅(qū)動對象模型

表格驅(qū)動對象模型將member data和member function分別映射成兩個表格member data table和function member table，而object本身只存儲指向這兩個表格的指針。 其中function member table是由一系列的slot組成，每個slot指向一個member function; member data table則直接存儲的member data本身。如果將表格驅(qū)動對象模型應(yīng)用在Point Class上，結(jié)構(gòu)圖如下：

優(yōu)點(diǎn)：采用兩層索引機(jī)制，對object變化提供比較好的彈性，在object的nonstatic data member有所改變時，而應(yīng)用程序代碼沒有改變，這時是不需要重新編譯的。

缺點(diǎn)：空間和時間上的效率降低，具體原因可以參考簡單對象模型的缺點(diǎn)分析。

3. C++ 對象模型

Stroustrup 早期設(shè)計的C++對象模型是從簡單對象模型改進(jìn)而來的，并對內(nèi)存空間和存取時間進(jìn)行了優(yōu)化。主要是將nonstatic data members存儲在每一個object中，而static data members以及所有的function members被獨(dú)立存儲在所有object之外。

對虛函數(shù)的支持主要通過以下幾點(diǎn)完成的：

     所有包含虛函數(shù)或者繼承自有虛函數(shù)基類的class都會有一個virtual table，該虛函數(shù)表存儲著一堆指向該類所包含的虛函數(shù)的指針。

     每個class所關(guān)聯(lián)的type_info object也是由virtual table存儲的，一般會存在該表格的首個slot，type_info用于支持runtime type identification (RTTI)。

如果將C++對象模型應(yīng)用在Point Class上，結(jié)構(gòu)圖如下：

優(yōu)點(diǎn)：空間和存取效率高，所有static data members以及所有的function members被獨(dú)立存儲在所有object之外，可以減少每個object的大小，而nonstatic data members存儲在每一個object中，又提升了存取效率。

缺點(diǎn)：如果應(yīng)用程序的代碼未曾更改，但所用到的class的nonstatic data members有所更改，那么那些代碼仍然需要全部重新編譯，而前面的表格驅(qū)動模型在這方面提供了較大的彈性，因為他多提供了一層間接性，當(dāng)然是付出了時間和空間上的代價。

在加上繼承情況下的對象模型

C++支持單繼承、多繼承、虛繼承，下面來看下base class實體在derived class中是如何被構(gòu)建的。

簡單對象模型中可以通過derived class object中的一個slot來存儲base class subobject的地址，這樣就可以通過該slot來訪問base class的成員。這種實現(xiàn)方式的主要缺點(diǎn)是：因為間接性的存儲而導(dǎo)致空間和存取時間上存在額外負(fù)擔(dān)；優(yōu)點(diǎn)是：derived class的結(jié)構(gòu)不會因為base class的改變而改變。

表格驅(qū)動對象模型中可以利用一個類似base class table的表格來存儲所有基類的信息。該表格中存儲一系列slot，每個slot存儲一個base class的地址。這種實現(xiàn)方式的缺點(diǎn)是：因為間接性的存儲而導(dǎo)致空間和存取時間上存在額外負(fù)擔(dān)；優(yōu)點(diǎn)是：一是所有繼承的class都有一致的表現(xiàn)形式（包含一個base table指針，指向基類表）與基類的大小和數(shù)目沒有關(guān)系，二是base class table增加了子類的擴(kuò)展性，當(dāng)基類發(fā)生改變時，可以通過擴(kuò)展、縮小或者更改base class table來進(jìn)行調(diào)整。

以上兩種實現(xiàn)方式都存在一個重要的問題，就是由于間接性而導(dǎo)致的空間和時間上的額外負(fù)擔(dān)，并且該間接性的級數(shù)會隨著繼承的深度而增加。

C++ 最初采用的繼承模型并不采用任何間接性，所有基類的數(shù)據(jù)直接存儲在子類當(dāng)中，這樣在存儲結(jié)構(gòu)和訪問效率上是最高效的。當(dāng)然也有缺點(diǎn)：當(dāng)base class members有任何改變，用到此base class或者derived class的對象必須重新編譯。在C++ 2.0引入了virtual base class，需要一些間接性的方式來支持該特性，一般會導(dǎo)入一個virtual base class table或者擴(kuò)展已有的virtual table。

總結(jié)

以上就是深入研究C++的對象模型的全部內(nèi)容，希望本文的內(nèi)容對大家有所幫助。

最新評論