前述

本章的的主題是Data語意學(xué)呻拌，主要是探究編譯器對class中的Data member的綁定、布局和存儲等操作亚茬，最后探究Data member存取和多種繼承方式之間的效率關(guān)系铸题，以及指向Data member的指針的效率問題。

參考書籍及鏈接：《深度探索c++對象模型》

0翰萨、本章基礎(chǔ)

1. 空類對象的大小是多少脏答？

class X { };//空類

對于空類，它有一個隱藏的1byte大小亩鬼，那個被編譯器安插進(jìn)去的一個char,這使得這一class的兩個objects得以在內(nèi)存中配置獨(dú)一無二的地址殖告。

2. class object的size會受到哪些因素的影響？

會影響class object的size的因素有如下三個雳锋，編譯器：

• 1. 語言本身所造成的額外負(fù)擔(dān)：當(dāng)語言支持virtual base classes時丛肮，就會導(dǎo)致一些額外負(fù)擔(dān)。需要一個指針魄缚，它或者指向virtual base class subobject,或者指向一個相關(guān)的表格宝与，表格用于存儲subobject地址或偏移值。
• 2. 編譯器對于特殊情況所提供的優(yōu)化處理：Virtual base class subobject的1 byte大小也會出現(xiàn)在derived class上冶匹。
• 3. Alignment（邊界對齊）的限制：在大部分的機(jī)器上习劫，聚合的結(jié)構(gòu)體大小會受到alignment的限制，使他們能夠更有效率地在內(nèi)存中被存取嚼隘。比如32機(jī)器字上就是4的整數(shù)倍诽里。

3. 各種類型data member的存放。

nonstatic直接放在class object之中飞蛹。static data member放置在程序的一個global data segment中，不會影響個別class object的大小席镀。無論class產(chǎn)生多少個object,甚至是0個祭犯，其static data members永遠(yuǎn)也只存在一份實(shí)例。但是一個template classs的static data members的行為稍有不同焰宣。

一、Data member的綁定

1. member function取用的是global還是local data member?

當(dāng)member funtion取用Data時捕仔，優(yōu)先考慮member data,人們稱這種情況為“member rewriting rule”匕积，意思是對于member functions本身的分析，會直到整個class的聲明都出現(xiàn)了才開始榜跌。在一個inline member function軀體之內(nèi)的一個data member綁定操作闪唆，會在整個class聲明之后才發(fā)生。

以前人們提倡兩種程序設(shè)計(jì)風(fēng)格钓葫，即將所有的data members放在class聲明起始處悄蕾，或者把所有的inline function都放在class聲明之外。就是為解決綁定問題础浮，但這種情況在c++ 2.0之后已經(jīng)解決了帆调。

2. member function的argument list的情況又是怎么樣的呢?

與取用data member不同的是，argument list中的名稱還是會在它們第一次 遭遇時被適當(dāng)?shù)貨Q議（resolved）完成霸旗。

typedef int length;

class Point3d{
public:
    void mumble(length val) { _val=val;} //length被決議為global
    length mumble() {return val;}
    // ...
private:
    typedef float length;//這樣的聲明將使先前的參考操作不合法
    length _val;
    // ...
};

雖然編譯器能處理贷帮，但還是提倡一種防御性程序風(fēng)格：即總是把“nested（嵌套的） type聲明”放在class的起始處。

二诱告、Data member的布局

1. Data member是怎樣被放置的撵枢？

關(guān)于data member的布局，記住以下三點(diǎn)：

• nonstatic data members在class object中的排列順序和其被聲明的順序一樣精居，任何中間介入的static data members都不會被放進(jìn)對象布局之中锄禽。
• C++ standard允許編譯器將多個access sections(也就是private、public靴姿、protected等區(qū)段)之中的data members整體自由排列沃但，不必在乎他們的出現(xiàn)在class中的聲明順序（連續(xù)的兩個privata也算兩個section）。
• 編譯器還可能會合成一些內(nèi)部使用的data members佛吓，以支持整個對象模型宵晚，vptr就是這樣的東西，當(dāng)前所有的編譯器都把它安插在每一個“內(nèi)含virtual function之class”的object內(nèi)维雇。

三淤刃、Data member的存取

1. 經(jīng)由一個class object和一個指針存取data member，有重大差異嗎吱型？

答案是顯然的逸贾，這跟data member的類型和class的繼承等都有關(guān)系，分如下兩種情況討論：

• data member 為 static
  static data members會被編譯器提出于class之外，并被視為一個global變量(但只在class生命范圍內(nèi)可見)铝侵。每一個static data member只有一個實(shí)例灼伤，存放在程序的data segment之中，通過一個指針和通過一個對象來存取data member都是一樣的咪鲜。

  若取一個static data member的地址狐赡，會得到一個指向其數(shù)據(jù)類型的指針，而不是一個指向其class member的指針嗜诀，因?yàn)閟tatic member并不內(nèi)含在一個class object之中猾警。

  如果有兩個classes孔祸，每一個都聲明了一個同名的static member隆敢，編譯器就會暗中對每一個static data member編碼(對于這種手法有個很美的名稱：name-mangling)，以獲得一個獨(dú)一無的程序識別代碼崔慧。

• data member 為 nonstatic
  Nonstatic data members直接存放在每一個class object之中拂蝎。只有經(jīng)過class object才能存取它們（implicit 存取如this指針）。欲對一個nonstatic data member進(jìn)行存取操作惶室，編譯器需要把class object的起始地址加上data member的偏移位置(offset)温自。

  每一個nonstatic data member的偏移位置(offset)在編譯時期即可獲知，甚至如果member屬于一個base class subobject(派生自單一或多重繼承串鏈)也是一樣的皇钞。因此悼泌，存取一個nonstatic data member，其效率和存取一個C struct member或一個nonderived class的member是一樣的夹界。

  但是如果該data member是一個virtual base class 的member,那么通過指針的存取速度會稍慢一點(diǎn)馆里。（指針的真正class type 只有在執(zhí)行器才真正確定）。

四可柿、“繼承”與Data Member

C++ standard未強(qiáng)制指定derived class members和base class members的排列順序鸠踪，理論上編譯器可以自由安排之。在大部分編譯器上頭复斥，base class members總是先出現(xiàn)营密，但屬于virtual base class的除外∧慷В“繼承”會對Data Member的布局有什么影響评汰？接下來分四種情況進(jìn)行討論。

1. 第一種情況：只要繼承不要多態(tài)痢虹。

這種情況不會存儲時間上的額外負(fù)擔(dān)被去，由于base class和derived class的objects都是從相同的地址開始，其差異只在于derived object 比較大世分，用以容納自建的nonstatic data members编振，把一個derived class object指定給base class 的指針或引用，并不需要編譯器去調(diào)停或修改地址踪央，可以提供了最佳執(zhí)行效率臀玄。

2. 第二種情況：加上多態(tài)。

加上virtual function接口后畅蹂，彈性增加了健无，但也同時增加了空間和存取時間上的額外負(fù)擔(dān)，如何取舍液斜，視多態(tài)程序所帶來的利益累贤。可能帶來的額外負(fù)擔(dān)如下：

• 導(dǎo)入一個和virtual table 少漆，用來存儲它所聲明的每一個virtual functions的地址臼膏。再加上一兩個slots(type_info)。
• 在每一個class object中導(dǎo)入一個vptr,提供執(zhí)行期的鏈接示损，使每一個object能夠找到相應(yīng)的virtual table渗磅。
• 加強(qiáng)constructor，使它能夠?yàn)関ptr設(shè)定初始值检访，讓它指向class所對應(yīng)的virtual table始鱼。
• 加強(qiáng)destructor，使它能夠消抹“指向class 相關(guān)virtual table”的vptr脆贵。

3. 第三種情況：多重繼承医清。

對于單一繼承，如果沒有virtual function卖氨，那么編譯器就不需要做其他工作;但如果base class沒有virtual function而derived class有会烙，并且vptr放在object首部，那么當(dāng)把一個derived object轉(zhuǎn)換為其base object時双泪，就需要編譯器對vptr進(jìn)行調(diào)整持搜。在既是多重繼承又是虛擬繼承的情況下，編譯器的需要做的會更多焙矛。
對一個多重派生對象葫盼，將其地址指定給“最左端(也就是第一個)base class的指針”，情況將和單一繼承時相同村斟，因?yàn)槎叨贾赶蛳嗤钠鹗嫉刂菲兜肌Ｖ劣诘诙€或后繼的base class的地址指定操作，則需要將地址修改為：加上(或減去)介于中間的base class subobjects大小蟆盹。比較需要注意的是孩灯，如果在取drived class object的地址時進(jìn)行偏移計(jì)算時，若其為指針逾滥，就需要判斷其是否為0峰档，若為0則基類object的地址也應(yīng)為0。當(dāng)然，這些都是編譯器的工作讥巡，我們需要了解掀亩，但不需要自己去實(shí)現(xiàn)。

如果要存取第二個(或后繼)base class中的一個data member會是怎樣的情況欢顷？需要付出額外的成本嗎槽棍？ 不，members的位置在編譯期就固定了抬驴，因此炼七，存取members只是一個簡單的offset運(yùn)算，就像單一繼承一樣簡單布持，不管是經(jīng)由一個指針豌拙，一個reference或是一個object來存取。

4. 第四種情況：虛擬繼承鳖链。

虛擬繼承的出現(xiàn)是為了避免多個相同base class subobject的出現(xiàn)姆蘸，將其只保留一份墩莫，從而減少空間浪費(fèi)芙委。
class如果含有一個或多個virtual base class subobjects將被分割為兩部分：一個不變區(qū)域和一個共享區(qū)域。不變區(qū)域中的數(shù)據(jù)狂秦，總是能有固定的offset灌侣，這部分可以被直接存取，至于共享部分裂问，所表現(xiàn)的就是virtual base class subobject 侧啼，這個部分?jǐn)?shù)據(jù)，其位置因?yàn)槊看闻缮僮鞫凶兓安荆灾荒荛g接存取痊乾。

一般而言，virtual base class最有效的一種運(yùn)用形式就是：一個抽象的virtual base class椭更，沒有任何data members哪审。

五、對象成員的效率

程序員如果只關(guān)心起程序效率虑瀑，應(yīng)該實(shí)際測試湿滓，不能光憑推論、常識判斷或假設(shè)舌狗。
參考書籍作者所做的測試表明叽奥，虛擬繼承所造成確實(shí)會嚴(yán)重影響data member的存取效率。

五痛侍、指向Data members的指針(Pointer to Data Members)

1. 如果獲取Data member的偏移值朝氓？偏移值應(yīng)該為多少？

通過如（&Point3d::z）這樣的操作可以獲得data member的偏移值。實(shí)際測試表明所獲得的offset比預(yù)想大1赵哲，這是為什么嘹狞？實(shí)際上這樣做的目的是為了區(qū)分一個“沒有指向任何data member”的指針，和一個指向“第一個data member”的指針的情況誓竿。比如：

float Point3d::*p1 = 0;//“沒有指向任何data member”的指針
float Point3d::*p2 = &Point3d::x;//指向“第一個data member”的指針

if(p1 == p2) //如何區(qū)分?
{
    cout << "p1 & p2 contain the same value --" ;
    cout << " they must address the same member!" << endl;
}

因此磅网，不論編譯器或使用者都必須記住，在真正使用該值以指出一個member之前筷屡，請先減掉1涧偷。

2.“指向Member的指針”對數(shù)據(jù)的存取有什么影響？

無繼承時毙死，指向member的指針對數(shù)據(jù)的存取操作燎潮，首先需要計(jì)算offset-1,其次具體的object需要用offset計(jì)算地址，會極大地降低效率扼倘，但目前的一些編譯器提供了對應(yīng)的優(yōu)化确封，可以使其像直接通過對象取值一下快速。
有繼承時再菊，data member是直接放在class object中的爪喘，理論上不會影響代碼的效率，但繼承的使用會妨礙優(yōu)化的效果纠拔。