Boolan/C++面向?qū)ο蟾呒?jí)編程 part5

C++面向?qū)ο蟾呒?jí)編程 part5

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

item1. 對(duì)象模型：vptr與vtbl

1. 類對(duì)象內(nèi)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
  1. 注意圖中的類對(duì)象模型，類對(duì)象中僅包含成員數(shù)據(jù)/vptr，不包括函數(shù)地址。
  2. deriverd類數(shù)據(jù)成員可以與base類數(shù)據(jù)成員重名，兩者保存在不同的區(qū)域。
  3. base類有虛函數(shù)，base類就會(huì)有vptr，base類對(duì)象有vptr則子類一定有vptr。

擴(kuò)展：dervied class 調(diào)用base class 函數(shù)/函數(shù)覆蓋

#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
  1. derived 類繼承了base類的函數(shù)調(diào)用權(quán)，所以可以通過(guò)derived對(duì)象調(diào)用base類的接口。
  2. derived 類的與base類的同名接口，derived會(huì)覆蓋base類。

注意??：C++繼承都繼承了哪些東西

  1. 數(shù)據(jù)
  2. 函數(shù)調(diào)用權(quán)。不是繼承函數(shù)相關(guān)的內(nèi)存

2. vptr vs. vtbl

base類有虛函數(shù)，base類就會(huì)有vptr，base類對(duì)象有vptr則derived類一定有vptr。

虛函數(shù)的繼承方式

  1. dervied 類如果不override base類的虛函數(shù)，則直接繼承base類的虛函數(shù)
  2. derived 類如果override base類的虛函數(shù)，則在虛表中替換base類的虛函數(shù)地址
  3. 多重繼承中，虛函數(shù)不會(huì)“跳著”間接繼承，而是繼承自己的base類的虛函數(shù)。上圖中c直接繼承b的虛函數(shù)，而不是直接繼承自a的虛函數(shù)。

繼承關(guān)系下生成的函數(shù)

關(guān)注上圖中的a/b/c 三個(gè)類中生成的所有的函數(shù)，分成虛函數(shù)，非虛函數(shù)兩種類型。

vtbl

3. 靜態(tài)綁定 vs. 動(dòng)態(tài)綁定

靜態(tài)綁定的函數(shù)調(diào)用方式

函數(shù)調(diào)用時(shí)，執(zhí)行call xxx（地址）。

動(dòng)態(tài)綁定的函數(shù)調(diào)用方式

通過(guò)指針找到對(duì)象的vtbl，然后找到正確的函數(shù)地址。
解釋成代碼形式如下：
(*(p->vptr)[n])(p)

(*(p->vptr)[n])(p)中的n與虛函數(shù)的聲明順序一致

4. 多態(tài)的示例

1511075056197.png

多態(tài)解決的問(wèn)題

1. 如何用一個(gè)只能容納一種元素類型的容器，存儲(chǔ)不同類型的元素？

容器保存的元素類型為，具有繼承關(guān)系的base類指針，其指向?qū)ο鬄閐ervied類對(duì)象。

2. 如何讓容器中的元素（base類指針），調(diào)用相同的接口卻具有不同的行為？

接口為虛函數(shù)。

多態(tài)的條件= up-cast pointer+ virtual function

item2. 對(duì)象模型：this

1. this指針參與到多態(tài)中

1511075265450.png
  1. 利用多態(tài)機(jī)制，在base類的成員函數(shù)流程中實(shí)現(xiàn)通用的邏輯，base類提供通用的接口，通用接口的實(shí)現(xiàn)可以遲后由derived 類實(shí)現(xiàn)。
  2. 成員函數(shù)通常是通過(guò)對(duì)象調(diào)用（static成員函數(shù)除外），所以在調(diào)用函數(shù)時(shí)編譯器會(huì)知道哪個(gè)對(duì)象在調(diào)用函數(shù)，此時(shí)當(dāng)前對(duì)象的指針會(huì)傳遞給該成員this指針。

注意??：

  1. 編譯器在執(zhí)行虛函數(shù)的調(diào)用（通過(guò)指針的方式）時(shí)，是通過(guò)指針指向內(nèi)存單元的vptr找到vtbl中的函數(shù)地址，最后去調(diào)用地址中的函數(shù)。從實(shí)際的底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制更容易解釋多態(tài)語(yǔ)法。

item3. 對(duì)象模型：dynamic binding

1. 從匯編的角度解釋dynamic binding

1511075345112.png
  1. 上圖中a.vfunc1()的調(diào)用為static binding。
  2. static binding的匯編執(zhí)行形式：call xxxx
1511075435047.png
  1. dynamic binding 匯編執(zhí)行等價(jià)于 c的形式(*(p->vptr)[n])(p))

注意??
用對(duì)象（非指針）的方式調(diào)用成員函數(shù)，不會(huì)造成多態(tài)。

item4. const

1. const member function

注意??
const member function中const修飾成員函數(shù)的形式只能用在成員函數(shù)中，不能用在全局的函數(shù)中。理解：這里的const是用來(lái)修飾this指針的，全局函數(shù)沒(méi)有this指針。

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，承諾該成員函數(shù)不會(huì)修改對(duì)象內(nèi)容。本質(zhì)是將this指針聲明為const*const形式。

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

在設(shè)計(jì)類接口時(shí)要考慮const

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

建議：如果member function 不改變對(duì)象數(shù)據(jù)，應(yīng)該將該member function 聲明為const。否則const object 無(wú)法調(diào)用該接口。
在設(shè)計(jì)類的接口時(shí)就要確定要不要加const。

引申：函數(shù)(全局/class member function)的形參，如果不想改變實(shí)參，要將其聲明為const &

成員函數(shù)的const 和non-const 版本共存時(shí)，調(diào)用誰(shuí)？

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

reference operator[](size_type pos) 
{/* 必須考慮copy on write*/}
}
}

string a;
cout << a[1];  // 調(diào)用 non-const operator[] 
                 // non-const operator[] ？
a[1] = 'a';    // 調(diào)用 non-const operator[] 
                 // non-const operator[] ？
  1. const 作為函數(shù)簽名的成分
  2. reference 返回值類型的函數(shù)可以作為左值。 因此上面代碼中non-const版本中的operator[] 可以作為左值使用，需要考慮copy on write，但const 版本的operator[] 返回值類型為charT 智能是右值不必考慮copy on write。
  3. 函數(shù)設(shè)計(jì)要考慮是否會(huì)把函數(shù)作為左值使用。

注意??
當(dāng)成員函數(shù)的const和non-const版本同時(shí)存在，const object只會(huì)調(diào)用const版本，non-const object 只會(huì)調(diào)用non-const版本。

item5. new & delete

1. new /delete 表達(dá)式 vs. operator new /delete

  1. new /delete表達(dá)式 實(shí)現(xiàn)中會(huì)分解為多個(gè)步驟，其中包括調(diào)用operator new/delete。

注意??：

  1. new /delete 表達(dá)式 不能被重載，operator new /delete 可以被重載。
  2. operator new /delete 是對(duì)內(nèi)存的操作.operator delete不包含調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的動(dòng)作，析構(gòu)函數(shù)在delete 表達(dá)式中調(diào)用。

item6. 重載operatro new /delete

1. 重載全局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);
}
  1. operator new 需要一個(gè)size參數(shù)
  2. operator new 不是由用戶調(diào)用，由編譯器在expression new中調(diào)用
  3. 注意返回值類型為void*
  4. operator new 只需指定 size
  5. operator delete需要指定地址和可選的size

2. 重載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

類如果重載operator new/delete ，在調(diào)用expression new 創(chuàng)建類對(duì)象時(shí)，expression new中將調(diào)用類的operator new。

expression new /delete分解過(guò)程

1511077397576.png

3. 重載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[]分解過(guò)程

1511077834557.png
  1. 注意構(gòu)造和析構(gòu)的調(diào)用次數(shù)，operator new中傳入的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 傳入的size 大小

operator new[] 需要分配一個(gè)保存對(duì)象個(gè)數(shù)的內(nèi)存單元。

item8. 重載 new()， delete()

class member operator new() - placement new

1. class member placement new

示例
Foo* pf = new(300,'c')Foo

  1. class member 可以重載 operator new，寫出多個(gè)版本的operator new()
  2. 每個(gè)版本的聲明必須具有獨(dú)特的參數(shù)列，其中第一個(gè)參數(shù)必須是size_t，其余參數(shù)以new 所指定的placment arguments 為初值。

placement argument：new (…)小括號(hào)中的參數(shù)。size_t在聲明時(shí)默認(rèn)需要定義，調(diào)用處不用顯示指定，size_t 不是 使用時(shí)(…)中的參數(shù)。

2. class member operator delete () - placement delete

絕不會(huì)被 expression delete 調(diào)用，只有當(dāng)調(diào)用 placement new 之后調(diào)用的ctor拋出異常才會(huì)被調(diào)。

  1. class member operator delete () 不是必須定義的，如果定義要與placement new對(duì)應(yīng)。

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)擴(kuò)充申請(qǐng)量

1511078434634.png

1. why using placement new

如果想在new對(duì)象時(shí)創(chuàng)建額外超過(guò)對(duì)象大小的內(nèi)存，使用placement new 代替 默認(rèn)的new。

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