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对象模型概述

C语言中，“数据”和“处理数据的操作（函数）”是分开定义的，也就是说语言本身并没有支持“数据与函数”之间的关联性。
C++中，一个类可能采用独立的“抽象数据类型(ADT)”来实现，或者以一个几层的类继承层次结构完成。

加上了封装之后，布局成本增加了多少？答案是并没有增加成本。数据成员直接内含在每一个类对象之中，就像在C语言的struct的情况一样。
而成员函数虽然在类的声明之内，却不出现在对象中。每一个非内联函数只会生成一个函数实例。

C++在布局以及存取时间上主要的额外负担是由virtual引起的。包括virtual函数和virtual基类。

此外还有一些多重继承下的额外负担，发生在“一个派生类和其第二或后继之基类的转换”“之间。





C++对象模式

一个简单对象模型

这个模型是为了尽量减低C++编译器的设计复杂度而开发的，赔上的是空间和运行时期的效率。

在这个简单模型下，成员本身并不放在对象之中。只有”指向成员的指针”才放在对象内。

这么做可以避免”成员有不同的类型，因而需要不同的存储空间”所招致的问题。

虽然这个模型并没有被应用于实际产品中，不过关于索引或slot个数的观念，倒是被应用到C++的”指向成员的指针(pointer-to-member)”观念之中。

表格驱动对象模型

另一种对象模型是把所有与members相关的信息抽离出来，放在一个data member table和一个member function table之中，类对象本身则内含指向这两个表格的指针。

虽然这个模型也没有实际应用于真正的C++编译器身上，但member function table这个观念却成为支持virtual functions的一个有效方案。（CRE：也许是说虚函数表VTable）

C++对象模型

在此模型中，non-static数据成员被配置于每一个类对象之内，static数据成员则被存放在个别的类对象之外。static和non-static函数成员也被放在个别的类对象之外。

virtual函数则由两个步骤支持：

  1. 每个class产生出一堆指向虚函数的指针，存放在表格中，称为virtual table(vtbl)。
  2. 每个类对象被安插一个指针，指向相关的virtual table，通常称为vptr。

基类可以使用slot或者bptr来指向，但是这些方法的缺点是间接性导致的空间和时间负担。

C++最初采用的继承模型并不运用任何间接性，基类subobject的数据成员被直接放置于派生类object中。这提供了对基类成员最紧凑而且最有效率的存取。

自C++2.0起才新导入的virtual基类，需要一些间接的基类表现方法。virtual基类的原始模型是在类对象中为每一个有关联的virtual基类加上一个指针。（其他演化出来的模型则要不是导入一个虚基类表，就是扩充原已存在的virtual表）





关键字带来的差异

如果不是为了努力维护与C之间的兼容性，C++远可以比现在更简单些。
如果C++并不需要支持C原有的struct，那么class的观念可以借由关键字class来支持。

关键字的困扰

GPT:技术上，struct和class是完全相同的，除了默认访问修饰符。结构体是默认公开，类是默认私有的。

GPT:当你需要一个主要用来存储数据的简单容器或者POD时，使用struct是合适的。这样可以清楚地向使用者表明这是一个数据结构，而非一个完整的对象。而class通常用于具有行为的复杂数据结构。

策略性正确的struct

一些C语言使用的小伎俩可能在C++中或许可能无效化。注意，C++中凡是处于同一个访问控制部分的数据，必定保证以其声明顺序出现在内存布局中。然而被放置在多个访问控制部分中的各笔数据，排列顺序就不一定了。

C struct在C++中的一个合理用途，是当你要传递一个“复杂的类对象的全部或部分”到某个C函数中去，struct声明可以将数据封装起来，并保证与C兼容的空间布局。然而这项保证只在组合而非继承的情况下才存在。





对象的差异

C++程序设计模型直接支持三种编程范式(programming paradigms):

  1. 程序化模型(procedual model)。
  2. 抽象数据类型(ADT)。
  3. 面向对象模型(object-oriented model)。

纯粹以一种范式写程序，有助于整体行为的良好稳固。

ADT和OOP范式区别是：OOP范式中，程序员往往需要处理一个未知实例，它的类型虽然有所界定，但是有很多可能。相反地在ADT范式中，程序员处理的是一个拥有固定而单一类型的实例，他在编译时期就已经完全定义好了。

CRE：OOP范式往往会使用指针/引用以及里氏替换，来实现多态。而ADT往往会使用对象的切割。

  1. non-static数据成员的总大小。
  2. alignment的需求而padding的空间。
  3. 为了支持virtual的额外负担。

指针的类型

“指向不同类型的指针”之间的差异，既不在其指针表示法不同，也不在其内容（代表一个地址）不同，而是在其所寻址出来的object类型不同。也就是说，“指针类型”会教导编译器如何解释某个特定地址中的内存内容及其大小。
所以转换（cast）其实是一种编译器指令。大部分情况下它并不改变一个指针所含的真正地址，它只影响“被指出之内存的大小和其内容”的解释方式。

加上多态之后

CRE：MSVC中只有带有虚函数时，才会在对象开头存一个4字节的vptr。

OOP不支持”直接的对象存取”。（CRE：也许是说对象切割会导致OOP失效）

Bear bear;
Animal animal;

animal = bear;

animal.Do();
(&animal)->Do();

//输出(MSVC)：  
//Animal Do
//Bear Do

Bear bear;
Animal animal;

memcpy(&animal, &bear, sizeof(Animal));

animal.Do();
(&animal)->Do();

//输出(MSVC)：  
//Animal Do
//Animal Do

CRE：在MSVC中，对象的复制构造或者赋值，貌似不会复制虚函数表指针。但是memcpy可以复制虚函数表指针。

(END)