Boolan/C++面向对象高级编程 part5

C++面向对象高级编程 part5

2017-11-14 11:59:35 / herohlc

item1. 对象模型：vptr与vtbl

1. 类对象内存模型

class A{
public:
   virtual void vfunc1();
   virtual void vfunc2();
   void func1();
   void func2();

private:
    int m_data1;
    int m_data2;
};

class B :public A{
public:
   virtual void vfunc1();

   void func2();

private:
    int m_data3;
};

class C :public B{
public:
   virtual void vfunc1();

   void func2();

private:
    int m_data1;
    int m_data4;  
};

1511072519130.png

注意图中的类对象模型，类对象中仅包含成员数据/vptr，不包括函数地址。
deriverd类数据成员可以与base类数据成员重名，两者保存在不同的区域。
base类有虚函数，base类就会有vptr，base类对象有vptr则子类一定有vptr。

扩展：dervied class 调用base class 函数/函数覆盖

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;

class A{
public:
   virtual void vfunc1(){};
   virtual void vfunc2(){};
   void func1(){ cout << "A::func1" << endl;};
   void func2(){ cout << "A::func2" << endl;};

private:
    int m_data1;
    int m_data2;
};

class B :public A{
public:
   virtual void vfunc1(){};

   void func2() {
       cout << "B::func2" << endl;
   };

private:
    int m_data3;
};

class C :public B{
public:
   virtual void vfunc1(){};

   void func2(){ cout << "C::func2" << endl;};

private:
    int m_data1;
    int m_data4;
};
int main() {
    A a;
    B b;
    C c;
    b.func1();
    b.func2();
    c.func1();
    c.func2();

    return 0;
}

A::func1
B::func2
A::func1
C::func2

derived 类继承了base类的函数调用权，所以可以通过derived对象调用base类的接口。
derived 类的与base类的同名接口，derived会覆盖base类。

注意⚠️：C++继承都继承了哪些东西

数据

函数调用权。不是继承函数相关的内存

2. vptr vs. vtbl

base类有虚函数，base类就会有vptr，base类对象有vptr则derived类一定有vptr。

虚函数的继承方式

dervied 类如果不override base类的虚函数，则直接继承base类的虚函数
derived 类如果override base类的虚函数，则在虚表中替换base类的虚函数地址
多重继承中，虚函数不会“跳着”间接继承，而是继承自己的base类的虚函数。上图中c直接继承b的虚函数，而不是直接继承自a的虚函数。

继承关系下生成的函数

关注上图中的a/b/c 三个类中生成的所有的函数，分成虚函数，非虚函数两种类型。

vtbl

3. 静态绑定 vs. 动态绑定

静态绑定的函数调用方式

函数调用时，执行call xxx（地址）。

动态绑定的函数调用方式

通过指针找到对象的vtbl，然后找到正确的函数地址。
解释成代码形式如下：
(*(p->vptr)[n])(p)

`(*(p->vptr)[n])(p)`中的n与虚函数的声明顺序一致

4. 多态的示例

1511075056197.png

多态解决的问题

1. 如何用一个只能容纳一种元素类型的容器，存储不同类型的元素？

容器保存的元素类型为，具有继承关系的base类指针，其指向对象为dervied类对象。

2. 如何让容器中的元素（base类指针），调用相同的接口却具有不同的行为？

接口为虚函数。

多态的条件= up-cast pointer+ virtual function

item2. 对象模型：this

1. this指针参与到多态中

1511075265450.png

利用多态机制，在base类的成员函数流程中实现通用的逻辑，base类提供通用的接口，通用接口的实现可以迟后由derived 类实现。
成员函数通常是通过对象调用（static成员函数除外），所以在调用函数时编译器会知道哪个对象在调用函数，此时当前对象的指针会传递给该成员this指针。

注意⚠️：

编译器在执行虚函数的调用（通过指针的方式）时，是通过指针指向内存单元的vptr找到vtbl中的函数地址，最后去调用地址中的函数。从实际的底层实现机制更容易解释多态语法。

item3. 对象模型：dynamic binding

1. 从汇编的角度解释dynamic binding

1511075345112.png

上图中a.vfunc1()的调用为static binding。
static binding的汇编执行形式：call xxxx

1511075435047.png

dynamic binding 汇编执行等价于 c的形式(*(p->vptr)[n])(p))

注意⚠️
用对象（非指针）的方式调用成员函数，不会造成多态。

item4. const

1. const member function

注意⚠️
const member function中const修饰成员函数的形式只能用在成员函数中，不能用在全局的函数中。理解：这里的const是用来修饰this指针的，全局函数没有this指针。

2. const obj vs. non-const obj vs. const member function vs. no-const member function

const member function中的const的作用，承诺该成员函数不会修改对象内容。本质是将this指针声明为const*const形式。

xx	const object	non-const object
const member function	v	v
non-const member function	x	v

在设计类接口时要考虑const

class String{
public:
    print(){}  // bad , non-const print  
}
const String str("hello");
str.print();  // error,

建议：如果member function 不改变对象数据，应该将该member function 声明为const。否则const object 无法调用该接口。
在设计类的接口时就要确定要不要加const。

引申：函数(全局/class member function)的形参，如果不想改变实参，要将其声明为const &

成员函数的const 和non-const 版本共存时，调用谁？

class string{
charT operator[](size_type pos)const
{/*不考虑copy on write*/}

reference operator[](size_type pos) 
{/* 必须考虑copy on write*/}
}
}

string a;
cout << a[1];  // 调用 non-const operator[] 
                 // non-const operator[] ？
a[1] = 'a';    // 调用 non-const operator[] 
                 // non-const operator[] ？

const 作为函数签名的成分
reference 返回值类型的函数可以作为左值。 因此上面代码中non-const版本中的operator[] 可以作为左值使用，需要考虑copy on write，但const 版本的operator[] 返回值类型为charT 智能是右值不必考虑copy on write。
函数设计要考虑是否会把函数作为左值使用。

注意⚠️
当成员函数的const和non-const版本同时存在，const object只会调用const版本，non-const object 只会调用non-const版本。

item5. new & delete

1. new /delete 表达式 vs. operator new /delete

new /delete表达式实现中会分解为多个步骤，其中包括调用operator new/delete。

注意⚠️：

new /delete 表达式不能被重载，operator new /delete 可以被重载。

operator new /delete 是对内存的操作.operator delete不包含调用析构函数的动作，析构函数在delete 表达式中调用。

item6. 重载operatro new /delete

1. 重载全局operator new/delete

inline void* operator new(size_t size){
    cout << "my new  :" <<size<< endl;
    return malloc(size);
}

inline  void* operator new[](size_t size) {
    cout << "my new [] : " << size<< endl;
    return malloc(size);
}

inline void operator delete(void* ptr){
    cout << "my delete" << endl;
    free(ptr);
}

inline void operator delete[](void * ptr) {
    cout << "my delete[]" << endl;
    free(ptr);
}

operator new 需要一个size参数
operator new 不是由用户调用，由编译器在expression new中调用
注意返回值类型为void*
operator new 只需指定 size
operator delete需要指定地址和可选的size

2. 重载member operator new/delete

class Foo {
public:
    void*operator new(size_t size) {
        cout << "Foo new" << endl;
        return malloc(size);
    }
    void operator delete(void* ptr){
        cout << "Foo delete" << endl;
        free(ptr);
    }
};
int main() {

    Foo* f = new Foo;
    delete f;
    return 0;
}

Foo new
Foo delete

类如果重载operator new/delete ，在调用expression new 创建类对象时，expression new中将调用类的operator new。

expression new /delete分解过程

1511077397576.png

3. 重载member operator new[]/delete []

class Foo {
public:

    void*operator new[](size_t size) {
        cout << "Foo new [] : " << size <<endl;
        return malloc(size);
    }

    void operator delete[](void* ptr){
        cout << "Foo delete[] : " << ptr << endl;
        free(ptr);
    }
};

expression new[] /delete[]分解过程

1511077834557.png

注意构造和析构的调用次数，operator new中传入的size值。

item7. 示例

class Foo {
public:
    void* operator new(size_t size) {
        cout << "Foo new" << endl;
        return malloc(size);
    }
    void operator delete(void* ptr){
        cout << "Foo delete" << endl;
        free(ptr);
    }

    void*operator new[](size_t size) {
        cout << "Foo new [] : " << size <<endl;
        return malloc(size);
    }

    void operator delete[](void* ptr, size_t size){
        cout << "Foo delete[] : " << ptr << endl;
        free(ptr);
    }

private:
    int _id;
    long _data;
    string _str;
};

1. 如何使用全局的operator new / delete

Foo * p = ::new Foo;
::delete p

2. operator new 传入的size 大小

operator new[] 需要分配一个保存对象个数的内存单元。

item8. 重载 new()， delete()

class member operator new() - placement new

1. class member placement new

示例
Foo* pf = new(300,'c')Foo

class member 可以重载 operator new，写出多个版本的operator new()
每个版本的声明必须具有独特的参数列，其中第一个参数必须是size_t，其余参数以new 所指定的placment arguments 为初值。

placement argument：new (…)小括号中的参数。size_t在声明时默认需要定义，调用处不用显示指定，size_t 不是使用时(…)中的参数。

2. class member operator delete () - placement delete

绝不会被 expression delete 调用，只有当调用 placement new 之后调用的ctor抛出异常才会被调。

class member operator delete () 不是必须定义的，如果定义要与placement new对应。

3. 示例


class Foo {
public:
    Foo(){};
    Foo(int a){
        throw a;
    };

    void* operator new(size_t size, int extra){
        return malloc(size+extra);
    }

    void operator delete(void* ptr, int extra){
        cout << "placement delete called" << endl;
    }

private:
    int _id;
    long _data;
    string _str;
};
int main() {
    Foo* a = new(1)Foo;
    Foo* b = new(1)Foo(1);
    return 0;
}

item9. basic_string使用new(extra)扩充申请量

1511078434634.png

1. why using placement new

如果想在new对象时创建额外超过对象大小的内存，使用placement new 代替默认的new。

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