the semantics of data

来源:https://www.cnblogs.com/chenglixue/archive/2022/10/19/16807005.html
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class object layout //64位系統 class A{ }; //sizeof(A)為1 class B : virtual public A{ }; //sizeof(B)為8 class C : virtual public A{ }; //sizeof(C)為8 class ...


class object layout

//64位系統
class A{ };		//sizeof(A)為1
class B : virtual public A{ };	//sizeof(B)為8
class C : virtual public A{ };	//sizeof(C)為8
class D : public B, public C{ };	//sizeof(D)為16

//sizeof(A)為1是因為編譯器會安插一個char，使得多個object會有不同的地址

  • 記憶體佈局:

    image-20221016191124550

  • 造成B和C大小為8的原因如下：

    • 語言本身造成的額外負擔。若derived class派生自virtual base class，則derived class中含有一個vbptr指針，此指針指向virtual base class subobject或一個相關表格vbtable，而vbtable存放virtual base class subobject地址或編譯位置(offset)
      • 註：derived class中包含本身和base class組成了對象，而屬於某個基類的對象就是base class subobject
    • 編譯器對特殊情況的優化處理。virtual base class A subobject的1 bytes一般放於derived class的固定部分的末端，某些編譯器會對empty virtual base class提供特殊支持
      • empty virtual base class不定義任何數據，提供一個virtual interface。某些編譯器處理下，一個empty virtual base class被視為derived class object最開始的那一部分，並沒有使用任何的額外空間。因為含有member，所以也沒有必要安插char
    • Alignment padding的限制。聚合的結構體大小收alignment限制，使其在記憶體更有效率地被存取

  • nonstatic data members和virtual nonstatic data members都存與class object中，且沒有強制定義其排列順序；static data members存於global data segment，不影響class object大小

  • nonstatic data members在class object中同一個access level的記憶體排列順序應和被聲明的順序相同，不受static data members影響

  • class object的同一個access section中members不一定非得連續排列，member的alignment和內部使用的data members可能會介於聲明的members間；且多個access section中data members可以自由排序，不用考慮聲明順序

  • access sections的多少並不影響記憶體大小

    class A
{
    public:
    ...
    private:
    	float x;
    	static int y;
    private:
    	float z;
    	static int i;
    private:
    	float j;
}

the binding of a data member

  • 現有以下代碼：
extern float x;

class A
{
    public:
    	A(float, float, float);
    	float X() const { return x; };
    
    private:
    	float x, y, z;
}

  • 放在現在，X()的返回值肯定是class內部那個，但在以前的編譯器，此操作會返回extern那個。因此，這也就產生了兩種防禦性程式風格：

    • 將所有data member放於class聲明最開始處

      class A
{
    private:
    	float x, y, z;
    
    public:
    	//這樣將保證class內部
    	float X() const { return x; };
}

    • 將所有inline member functions，放於class外。inline函數實體，在整個class聲明完全看見後，綁定操作才會進行

      class A
{
    public:
    	A();
    
    private:
    	float x,y,z;
};

inline float A::X() const
{
    return x;
}

  • 請思考如下代碼：

    typedef int length;

class A
{
    public:
    	//length被判定為int類型
    	//_val 判定為A::_val
    	void do1( length val ) { _val = val; };
    	length do1() { return _val; };
    
    private:
    	//這裡length必須在"本class對它的第一個操作前"被看見.否則先前的判定操作不合法
    	typedef float length;
    	length _val;
}

  • 對於member function的argument list來說，argument list中的名稱會在它們第一次遭遇時被適當判斷完成。因此，需要將nested type聲明放於判斷前

data member 的存取

​ 現有如下代碼：

A a;
//x的存取成本？
a.x = 0.0;
A* ot = &A;
//通過指針的x的存取成本？
pt->x = 0.0
  • 用指針進行存取：若A為derived class且繼承體系中含有virtual base class，且存取的member從virtual base class繼承而來，和單一繼承、多重繼承這樣的就有很大差距，因為這個存取操作需要延遲至執行器，經由一個額外的間接導引解決

static data members

  • class object里的static data member，對於class objects和其本身，都不會產生額外負擔

  • 無論是複雜的繼承關係還是單一的class object，static data member永遠只有一個實例

  • static data member每次被取用時，編譯器都會對其進行轉化

    //a.i = 0;
A::i = 0; 

//pt->i = 0;
A::i = 0;

  • 多個相同的classs都聲明相同的static member，在data segment中這肯定會導致名稱衝突，但編譯器對其進行name-mangling，也就是暗中對每一個衝突的static data member編碼，如此即可獲得獨一無二的識別代碼

    • 不同的編譯器有不同的name-mangling，但都包含兩點：
      • 運用一個演算法推導識別代碼
      • 若編譯系統必須和使用者交談，這是識別代碼可以被輕易地推導回原來的名稱

  • 對於以上代碼，雖然使用的member selection operators對static data member進行存取操作，但這隻是圖方便，實際上static data member並不在class object中，因此也並沒有通過class object

若由A中的一函數調用static data member，會發生如下轉化：

//do為A中的函數
do().i = 0;

//轉化求值
(void) do();
A.i = 0;

若取static data member地址，也只會得到指向其類型的指針，並不會指向其class member

&A::i;

//轉化
const int*

nonstatic data members

  • nonstatic data members存放在class object中，需經過explict或implicit class object進行存取，且進行存取操作時，編譯器還需要把class object的起始地址加上data member的offset

    A A::do1( const A& pt )
{
    x += pt.x;
    y += pt.y;
    z += pt.z;
}

//轉化
A A::do1( A* const this, const A& pt )
{
    this->x += pt.x;
    this->y += pt.y;
    this->z += pt.z;
}

--------------------------------------------分割線--------------------------------------------------------

a.y = 0.0;

//起始地址+offset
&a + (A::y - 1);

    • 這裡的"-1"操作是因為指向data member的指針的offset總是被加上1，如此編譯系統即可區分"指向data member的指針，用以指出class的第一個member"和"指向data member的指針，沒有指向任何member"兩種情況

      • 取一個nonstatic dat member的地址，會得到它在class中的offset；而取一個綁定在class object上的data member的地址，會得到他在記憶體中的真實地址
      class B
{
    public:
    	virtual ~B();
    protected:
    	static B origin;
    	float x,y,z;
}

//&origin: 當前地址減去offset並加一
float B::* p1 = &origin.y;

//最終得到val:offset + 1
float B::* p2 = &B::x;	//B::* 是指向B data member的指針

    • 因為offset的值於編譯期即可得出，因此存取一個nonstatic data member其實效率和c struct member一樣，派不派生也是如此

data member的繼承

單一繼承

  • 對於derived class object，編譯器可以自由其derived class member 和 base class member的排列順序，但大部分編譯器中，base class members會先出現（以上virtual base class除外）

​ 現有以下代碼：

class Point2d
{
    public:
    	float x() { return _x; }
    	float y() { return _y; }
    	
    	void operation+=( const Point2d& rhs )
        {
            _x += rhs.x();
            _y += rhs.y();
        }
    	...	//constructor
            
    private:
    	float _x, _y;
}

class Point3d
{
    public:
    	float z() { return _z; }
    
    	void operation+=( const Point3d& rhs )
        {
            Point2d::operator+=( rhs );
            _z += rhs.z();
        }
    	...//constructor
    
    private:
    	float _z;
}

  • 以上這種繼承被稱為具體繼承（concrete inheritance），derived class繼承base class的data member和 member function，將之局部化，但這種行為並不會增加空間和時間上的額外負擔。沒有virtual function時，佈局其實和c struct一樣

  • 對於具體繼承，需要註意因alignment padding膨脹的空間

    //32位

//A大小 4 + 1 + alignment 3
class A
{
    private:
    	int val;
    	char c1;
}

//B大小由8 + 1 + aligment3
class B : public A
{
	private:
    	char c2;
}

//根據B的意思，C也就是16
class C : public B
{
    private:
    	char c3;
}

    也許你會認為，這不是浪費很多空間嗎，為什麼不讓derived class member直接填上base class aligment那一部分?

    image-20221018185652966

    如果是以上佈局，又會產生一個問題：繼承而得的members會被覆蓋

    B* pb;
A* pa1, pa2;	//可指向ABC

pa1 = pb;

//這將導致c2的值被覆蓋掉
*pa2 = *pa1;

多態(單一)繼承

​ 現有如下代碼：

class Point2d
{
    public:
    	float x() { return _x; }
    	float y() { return _y; }
    	
    	virtual void operation+=( const Point2d& rhs )
        {
            _x += rhs.x();
            _y += rhs.y();
        }
    	
    	virtual float z() { return 0.0; }
    	virtual void z(float) { }
    	...	//constructor
            
    private:
    	float _x, _y;
}

class Point3d
{
    public:
    	float z() { return _z; }
    
    	void operation+=( const Point2d& rhs )
        {
            Point2d::operator+=( rhs );
            _z += rhs.z();
        }
    	...//constructor
    
    private:
    	float _z;
}

//p1和p2可能為Point2d類型，也可能為Point3d類型
void do( Point2d& p1, Point2d& p2 )
{
    p1 += p2;
}
  • 支持多態繼承會造成空間和時間上的負擔：
    • virtual table，存放virtual functions地址和slots（支持runtime type identification）
    • 每個class object導入一個vptr
    • 優化constructor，在其中設定vptr的初值，使其指向class應對應的virtual table
    • 優化destructor，在其中抹去vptr
  • 對於編譯器來說，vptr一般放於class object尾端，如此可以保留base class C對象佈局，放在c中亦可使用

多重繼承

  • 對於單一繼承這種形式，base class object 和 derived class object都是從相同地址開始(例如先前實例中)，因此將derived class object指定給base class的指針或引用，編譯器不需要針對其修改地址，執行效率很高

​ 現有如下代碼：

class Point2d
{
    public:
    ...	//含有virtual函數
        
    protected:
    float _x, _y;
}

class Point3d : public Point2d
{
    ...
    
    protected:
    	float _z;
}

class Vertex
{
    public:
    ... //含有virtual函數
        
    protected:
    	Vertex* next;
}

class Vertex3d : public point3d, public Vertex
{
    ...
    
    protected:
    	float mumble; 
}

Vertex3d v3d;
Vertex* pv;
Point2d* p2d;
Point3d* p3d;

pv = &v3d;
//內部轉換 pv = (Vertex*)( ( (char*)&v3d ) + sizeof(Point3d) );

//無需轉換
p2d = &v3d;
p3d = &v3d
    
Vertex3d* pv3d;
Vertex* pv;

//若想進行指針的指定操作，還需加個判斷
pv = pv3d ? (Vertex*)((char*)pv3d) + sizeof( Point3d );		//pv3d可能為野指針

記憶體佈局：

image-20221018201105749

  • c++並未要求多重derived class object中，base class objects有特定的排列順序
  • 對於多重派生對象，例如Vertex3d，將地址指定給最左端base class（point3d）時，無需修改地址，因為兩者起始地址相同；但往後的base class，需要修改地址，加上或減去介於其中的base class subobjects大小。若存取往後的base class data members，也並不需要付出額外成本，members的位置在編譯期已固定，通過offset運算即可得出

虛擬繼承

​ iostram library：

//對應如下左圖
class ios {...};
class istream : public ios {...};
class ostream : public ios {...};
class iostream : public istream, public ostream {...};

//對應如下右圖
class ios {...};
class istream : virtual public ios {...};
class ostream : virtual public ios {...};
class iostream : public istream, public ostream {...};

image-20221018203932844

​ 根據如上可知，虛擬繼承可以解決存儲多個同一base class的問題(ios)，那麼這是如何實現的呢？

  • class內若內含virtual base class subobjects，會被分割為兩部分：一個不變區域和一個共用區域
    • 不變區域：含有固定的offset，不受影響，可以直接存取
    • 共用區域：也就是virtual base class subobjects，這一區域會受每次派生操作影響而變化，只可以被簡介存取

​ 編譯期實現策略：

class Point2d
{
    ...
    protected:
    	float _x, _y;
}

class Point3d : virtual public Point2d
{
    ...
    protected:
    	float _z;
}

class Vertex : virtual public Point2d
{
    ...
    protected:
    	Vertex* next;
}

class Vertex3d : public Vertex, public Point3d
{
    ...
    protected:
    	float mumble;
}

  • 一般的佈局策略是先安排derived class不變部分，隨後建立共用部分

  • 存取class的共用部分：在每一個derived class object中安插一些指針，每個指針指向一個virtual base class

image-20221018205728613

void Point3d::operator+=( const Point3d& rhs )
{
    _x += rhs._x;
    _y += rhs._y;
    _z += rhs._z;
}

//進行如下轉換

__vbcPoint2d->_x += rhs.__vbcPoint2d->_x;
_z += rhs._z;
----------------------------------分割線-------------------------
    
Point2d* p2d = pv3d;
//進行如下轉換
Point2d* p2d = pv3d ? pv3d->__vbcPoint2d : 0;

​ 然而，這種實現模型卻存在兩個缺點：

  • 每個對象針對每一個virtual base class含有一個指向其class的指針
  • 隨著虛擬繼承串鏈的變長，間接存取層次也會增加。(如三層虛擬派生，則有三次間接存取，也就是三個virtual base class指針)

​ 解決：

  • 對於第一個，引入virtual base class table，virtual base class指針放在table中，編譯期會安插一個指針指向virtual base class table

  • 對於第二個，拷貝取得所有的nested virtual base class指針

  • virtual base class最有效的形式：一個抽象virtual base class，不含data member

對象成員和指向data member的指針效率

  • 對於對象成員，在編譯期未優化時聚合、封裝、繼承方式在存取方面都有效率上的差異；優化後都是相同的，且封裝並不會帶來執行器的效率成本。其中聚合和封裝、單一繼承效率高，因為單一繼承中members被連續存儲在derived class中，且offset於編譯期就計算出了；但虛擬繼承的效率很低
  • 對於指向data member的指針，在編譯期未優化時，通過指針間接存取效率相對於直接存取會更低，但優化後都是一樣的；單一繼承並不會降低效率，但虛擬繼承中，因每一層都導入一個額外層次的間接性，因此效率較差

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