深入理解C++的对象模型

何为C++对象模型？

C++对象模型可以概括为以下2部分：

1. 语言中直接支持面向对象程序设计的部分

2. 对于各种支持的底层实现机制

引言

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。

1. 简单对象模型

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。

2. 表格驱动对象模型

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。

3. C++ 对象模型

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。

在加上继承情况下的对象模型

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。

总结

以上就是深入研究C++的对象模型的全部内容，希望本文的内容对大家有所帮助。