Last Updated on 2023年7月11日

嵌套类和局部类

• 定义在类X内的类Y称为嵌套类,它就是一个普通类,只不过使用的作用域被限制了.
• 定义在函数内的类Y称为局部类,这种类限制很多,主要用于在语言层面支持Lambda,实践中基本不用.

struct(class)的内存布局

• C++的struct和class实例大小不会为0,即便它内部没有任何数据变量.主要是因为编译器总是需要为实例分配内存,使得对象能获得有效的地址,且不同对象的地址总应该是不同的.
• 类型布局相关的名词有很多,如POD,Aggragate,naive等,具体我也不是很清楚,总之很麻烦.
  • 如果需要把sturct或class对象通过C风格直接从内存层面管理(如memcpy),那么要求它的内存布局是平凡的.
• C++11之后,编译器只保证:
  • 同一个权限声明符block内的对象是顺序存储的(可能因对齐而不连续)
  • 同一个权限声明符level的不同block相对顺序是确定的
  • 编译器允许在满足上面约束的前提下任意重排类的数据成员布局.
• 只要类型涉及到virtual, 那类型实例的首地址存储的一定是vptr, 涉及virtual只需满足任意一个条件:
  • 直接或间接使用虚继承
  • 直接或间接继承使用虚函数的基类
  • 自身使用虚函数
• 对于类型Foo, 编译器将为它生成多个VTable, 首地址vptr指向的VTable是类型Foo的核心VTable, 只用它就能完成在Foo实例上的任意操作, 而其他的VTable则是为了和基类兼容而创建的.
• 对于每个确定的类型, 其内存布局都是编译期可以确定. 但是当只使用指针, 而不能确定指针指向的真实类型时, 对象的内存布局可能无法简单的根据指针类型来确定.
• 对于某个确定的类型X, 其在内存中有两部分数据组成, [static][dynamic], 类型X的内存布局为:
  1. 将X的直接基类中, 非虚继承基类的静态部分顺序拼接, 形成X的静态部分.(这个逻辑可以直接用于确认任何类型的静态部分)
  2. 遍历X的整个继承树,得到所有作为virtual基类的类型名, 形成一个set, 将这些类型按字典序排序, 然后将这些类型的静态部分拼接起来,形成X的动态部分.
  3. 若X涉及virtual,且静态部分的第一个类型不提供vptr, 则在X的静态部分头部插入一个新的vptr

当最终layout确定后, 该layout将参与后续VTable的生成, 以用于更新相关的offset值. 编译器首先会为类型X生成核心VTableX, 如果是新添加的vptr, 那么从0开始创建即可. 如果是复用了Base0的vptr, 那么为了保证和Base0的兼容, 需要在Base0的核心VTableBase0的基础上扩展, 生成自身的核心VTableX.
进一步, 布局中的每一个有vptr的类型都需要生成对应的VTable, 以保证类型的兼容性, 例如, 假如动态部分中的类型Type1涉及virtual, 那么这个类型的静态数据部分头部就是vptr, 编译器同样需要基于Type1的核心VTableType1来生成与Type1兼容的VTableXForType1.

如果能保证整个类型系统都没有virtual继承,那么对象的内存布局将会变得非常简化, 这也是大部分编程风格/指南禁用virtual继承的原因.

Virtual继承的逻辑功能是: 如果继承树中有多个环节virtual继承A, 那么所有这些virtual继承A的部分将通过指针共享同一个A

Virtual继承主要是用于解决菱形继承的is-a问题, 对于D: public B, public C,B: public A 及 C: public A, 是否有D is a A成立 ?
C++的原则是根据地址判断,只要Derive派生类到达某个基类Base的所有路径中, 最终获得的地址Base * p都相同, 则认为Derive is a Base, 例如, 上面的例子中, 只要能保证 dynamic_cast<A *>(dynamic_cast<C *>(obj_d)) == dynamic_cast<A *>(dynamic_cast<B *>(obj_d)) 那么才认为D->C->A和D->B->A是同一个A, 进一步才认为D也是一个A的实例, 编译器才会允许dynamic_cast<A*>(obj_d).

Get address

这里举例说明vptr + vtable是如何实现virtual相关的功能的. 注意: 这里的描述仅仅是GCC的一种实现, 实际的实现可以是多种多样的, 只要逻辑上满足功能即可.

对于数据成员.

• 静态: p->data, data位于decltype(*p)的静态部分, 则p + OFFSET0: 这个很好理解
• 动态: p->data, data位于decltype(*p)的动态部分,则首先需要获得data所属基类对象的地址p + vptr[OFFSET0], 再通过p + vptr[OFFSET1] + OFFSET2 获得最终的data成员地址.

对于函数调用p->fun(),它涉及两次数据查找,分别用于定位函数func自身的地址 和 this 参数的地址, 它们的地址都可能需要通过动态的方式获得.

• 如果fun是一个普通函数
  • 那么fun的地址是常量,由链接器来解决.
  • this可能会被修正为this = p + OFFSET2, 也可能被修正为this = p + vptr[OFFSET3], 这取决于定义fun的类型到当前类型的路径上是否涉及virtual继承.
• 如果fun是一个virtual函数,
  • 只能通过func_ptr = vptr[OFFSET2]来获取函数的地址, 因为函数可能由派生类提供, 编译期不可知其地址.
  • 只能通过this = p + vptr[OFFSET3]的形式获得, 因为实际的对象可能是派生类实例,它和p的相对偏移也是编译期不可知的.

对于虚函数调用, 鉴于this和func的地址都需要查表, 一般而言, 这两个offset在虚函数表中存储在相邻的地址上

OOP基础特性:

• 如果没有特别说明,就永远只使用public继承,private及protect继承并非面向对象设计中的组件,而是为了实现其他功能的,在C++中从不应该使用.
• 继承过程中基类成员的可见性可以通过using T::name手动控制.
  • 例如,基类中有public的function(),我们可以在派生类的private中写using Base::function,那么就不能通过派生类实例访问function了
• 从实现上说,const成员函数只约束类实例内存区域不可写(bitwise-constness).例如,一个class有一个int *p成员,那么,在const成员函数中,修改p是不可以的,修改*p则是可以的.

friend

• friend是编译期的,其作用是将当前类的自定义成员向某个作用域开放访问(撤销private限制).
  • 这个作用域可以是一个函数，或一个类
  • 只要该作用域能够访问到类实例,就能访问该实例的数据成员,或使用成员函数.
  • 即便该作用域不能访问到类实例,也可以直接使用不含this的private成员函数,或者调用private构造函数创建对象.
• friend语句不是函数声明语句.

this

• 从逻辑上看,this在形参列表中为(T * const this, ...)
  • 我们可以额外为this添加&,&&及const
  • const要求this指向const对象
  • &则要求this指向一个左值
  • &&要求this指向一个右值
• this的实现方式随编译器ABI而定.

类内基本控制函数

构造函数ClassName(args):{}

• 对于const类实例,仅当构造函数的代码区执行完后实例才获得const属性.
• 只有函数调用才能触发隐式类型转换.(重载运算符也是函数调用，也能触发)
• 添加explicit ClassName(TYPE n)限定符可以阻止编译器进行隐式转换.

拷贝控制

• 涉及拷贝构造(移动构造),拷贝赋值(移动赋值),析构这三类操作的控制函数被称为copy control,对于旧版本C++,有3个,对于C++11,则有五个
• 在一些支持隐式转换的场合,编译器可能优化掉拷贝/移动初始化操作. 例如string str_obj="mystr";,它实际是string str_obj(string("mystr")), 可能会被优化为string str("mystr"),拷贝初始化(移动初始化)就被绕过了.
• 编译器合成的拷贝移动/复制支持引用/指针, 逻辑上都是浅拷贝.(相比之下,手动定义的移动/复制则需要手动处理指针,且不支持引用)

= delete(C++11)

• 用于定义"不能被调用"的函数,=delete的函数会参与函数重载,当匹配到=delete的函数时,编译器将报错.例如,对于一个mutex,它显然是不具备拷贝意义的,我们就可以让class Mutex的拷贝构造/拷贝移动为=delete的

=default(C++11)

• 使用=default可以强制编译器按默认规则生成对应的函数
  • 如果编译器无法生成,则生成的版本是=delete的.
• 在声明处的=default将会使编译器生成inline的版本

编译器的隐式合成行为

• 编译器会自动插入xxx=default这样的代码,称之为隐式合成.具体而言,只有默认构造函数T()和五个拷贝控制函数是可能被隐式合成的.

  • 有了任意显式构造函数都不会合成T();
  • 有了任意显式拷贝控制都不会合成其余的拷贝控制;(有的编译器不严格执行)
  • 注意:即便是T(xxx) =default这样的代码,仍被认为是"显式"的

• 如果T存在不能拷贝的成员,则编译器将合成=delete版本的拷贝赋值及拷贝初始化.

• 只有当所有成员都可以移动时,编译器才会合成移动构造和移动赋值.换言之,只要编译器隐式合成了移动控制函数,就一定是可用的,不会是=delete的

• "没有合成"与"=delete"是不同的. 没有合成意味着它不存在,不会参与重载, =delete的版本会参与函数匹配和重载.

  动态绑定与多态

• 返回类型放松:对于virtual函数T::Foo,如果返回类型是T&或T*, 我们可以在override的时将返回类型修改为派生类的T2&或T2*

• 在构造函数和析构函数中调用虚函数仅会静态绑定, 也就是调用编译器当时能分析到的版本. 这是为了避免安全问题.例如,对于class B: public A{virtual void fun();},在构造A时需要调用fun(),若因动态绑定调用了B的版本,由于此时B仍未构造,此时调用B的版本就可能访问未初始化的区域,这是十分危险的.

  • 所以一般禁止在构造和析构中调用虚函数.