深度探索C++对象模型：三种对象模型

现在有一个Point类声明如下

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;
};

这个类在机器上是通过什么模型来表示的呢下面就介绍三种不同的实现方式。

简单对象模型名副其实十分简单。在简单对象模型中一个 object是由一系列slots组成每个slot相当于一个指针指向一个member``memebers按照声明的顺序与slots一一对应这里的members包括data members和function members。如果将简单对象模型应用在Point Class上结构图如下

• 优点十分简单降低了编译器设计的复杂度。

• 缺点空间和时间上的效率降低。由于所有member都对应一个slot指针所以每个object在空间上额外多出member's number 乘以指针大小的空间。同时由于访问object的每个member都需要一次slot的额外索引所以在时间的效率也会降低。

表格驱动对象模型将member data和member function分别映射成两个表格member data table和function member table而object本身只存储指向这两个表格的指针。 其中function member table是由一系列的slot组成每个slot指向一个member function; member data table则直接存储的member data本身。如果将表格驱动对象模型应用在Point Class上结构图如下

• 优点采用两层索引机制对object变化提供比较好的弹性在object的nonstatic data member有所改变时而应用程序代码没有改变这时是不需要重新编译的。
• 缺点空间和时间上的效率降低具体原因可以参考简单对象模型的缺点分析。

Stroustrup 早期设计的C++对象模型是从简单对象模型改进而来的并对内存空间和存取时间进行了优化。主要是将nonstatic data members存储在每一个object中而static data members以及所有的function members被独立存储在所有object之外。对虚函数的支持主要通过以下几点完成的

• 所有包含虚函数或者继承自有虚函数基类的class都会有一个virtual table该虚函数表存储着一堆指向该类所包含的虚函数的指针。
• 每个class所关联的type_info object也是由virtual table存储的一般会存在该表格的首个slot``type_info用于支持runtime type identification (RTTI)。

如果将C++对象模型应用在Point Class上结构图如下

• 优点空间和存取效率高所有static data members以及所有的function members被独立存储在所有object之外可以减少每个object的大小而nonstatic data members存储在每一个object中又提升了存取效率。
• 缺点如果应用程序的代码未曾更改但所用到的class的nonstatic data members有所更改那么那些代码仍然需要全部重新编译而前面的表格驱动模型在这方面提供了较大的弹性因为他多提供了一层间接性当然是付出了时间和空间上的代价。

C++支持单继承、多继承、虚继承下面来看下base class实体在derived class中是如何被构建的。

简单对象模型中可以通过derived class object中的一个slot来存储base class subobject的地址这样就可以通过该slot来访问base class的成员。这种实现方式的主要缺点是因为间接性的存储而导致空间和存取时间上存在额外负担优点是derived class的结构不会因为base class的改变而改变。

表格驱动对象模型中可以利用一个类似base class table的表格来存储所有基类的信息。该表格中存储一系列slot每个slot存储一个base class的地址。这种实现方式的缺点是因为间接性的存储而导致空间和存取时间上存在额外负担优点是一是所有继承的class都有一致的表现形式包含一个base table指针指向基类表与基类的大小和数目没有关系二是base class table增加了子类的扩展性当基类发生改变时可以通过扩展、缩小或者更改base class table来进行调整。
以上两种实现方式都存在一个重要的问题就是由于间接性而导致的空间和时间上的额外负担并且该间接性的级数会随着继承的深度而增加。

C++ 最初采用的继承模型并不采用任何间接性所有基类的数据直接存储在子类当中这样在存储结构和访问效率上是最高效的。当然也有缺点当base class members有任何改变用到此base class或者derived class的对象必须重新编译。在C++ 2.0引入了virtual base class需要一些间接性的方式来支持该特性一般会导入一个virtual base class table或者扩展已有的virtual table详细会在后面博文讨论。