2002-7-6
3.3 Data Member的存取
1． 不管什么情况，每一个static data member只有一个实体，放在程序的data segment之中，每次程序取用static member，不管是通过operator::还是member selection operator，都会被内部转化为对该唯一extern实体的直接参考操作。每一个static member的存取以及与class的关联不会导致任何执行时间或空间上的额外负担。如果有两个classes，每一个都声明了一个static member freeList，那么当它们都放在程序的data segment时，就会导致名称冲突，编译器的解决方法是使用name-mangling，暗中对每一个static data member编码，以获得一个独一无二的程序识别代码。
2． 有多少个编译器，就有多少种name-mangling做法，任何name-mangling做法都有两个要点：
ü 一种算法，推导出独一无二的名称；
ü 如果编译系统或者环境工具必须和使用者交谈，那些独一无二的名称可被轻易推导回原先的名称。
3． 取一个static data member的地址，会得到一个指向其数据类型的常量指针，而不是指向其class member的指针。
4． nonstatic data members直接放在每一个class object之中，除非经过显示的explicit或隐含的implicit class object，没有办法直接存取它们。只要程序员在一个member function中直接处理一个nonstatic data member，所谓implicit class object就会发生，其实质是编译器会为这个member function增添一个const this指针，而在函数体内通过这个this指针来存取nontatic data member。
5． 欲对一个nonstatic data member进行存取操作，编译器需要把class object的起始地址加上data member的编译量offset，如地址&someObject.someMember等于&someobject + (&theClass::someMember – 1);指向data member的指针，其offset值总是会被加上1，这样可以使编译系统区分出一个指向class第一个data member的指针和一个没有指向任何data member的指针。
6． 每一个nonstatic data member的偏移量在编译时期即可获知，甚至如果member属于一个单一或多重继承体系中base class subobject也是一样，因此其存取效率和一个C struct member或一个nonderived class的member的存取效率是一样的。但是在虚拟继承的情况下就另当别论了：如果该nonstatic data member是一个virtual base class的member，并且通过指针来存取的话，在编译时期就不会得知这个member真正的offset位置，所以这个存取操作必须延迟至执行期，经由一个额外的间接导引才能够解决。
2002-7-7
3.4 “继承”与Data Member
1． 在C++继承模型中，一个derived class object所表现出来的东西，是其自己的members加上其base classes members的总和。C++并未规定derived class members和base classes members的排列次序。不过，在大部分编译器上，除virtual base class外，base class members总是先出现。
2． 一般而言，具体继承concrete inheritance并不会增加空间或存取时间上的额外负担。
3． 把两个原本独立不相干的classes凑成一对type/subtype，并带有继承关系容易犯两个错误。一是可能会重复设计一些相同操作的函数，一般而言，选择某些函数做成inline函数，是设计class的一个重要课题；二是把一个class分解为多层，有可能会为了表现class体系之抽象化，因为编译器的边界调整而膨胀所需空间。其根本原因是C++保证出现在derived class中的base class subobject有其完整原样性。
4． C++最初问世时，许多编译器把vptr放在class object的尾端，这样可以保留base class C struct的对象布局。此后，某些编译器开始把vptr放在class object的开始处，这样会给多重继承下通过指向class members之指针调用virtual function带来一些帮助，否则，在执行期不仅必须备妥从class object起点处开始量起的offset，而且必须备妥class vptr之间的offset。
5． 单一继承提供了一种自然多态的形态，是关于class体系中base type和derived type之间的转换。一般来说，base class和derived class objects都是从相同的地址开始。但若将vptr放在class object的起始处，如果base class没有virtual function而derived class有，那么单一继承的自然多态就会打破。此时，把一个derived object转换为其base类型就需要编译器的介入，用以调整地址。而在既是多重继承又是虚拟继承的情况下，编译器的介入则更有必要。
6． 多重继承的复杂度在于derived class和其上一个base class乃至上上一个base class之间的非自然关系，其主要问题发生在derived class objects和其第二或后继的base class objects之间的转换。对一个多重派生对象，将其地址指定给最左端base class的指针，情况将和单一继承相同，而第二个或后继的base class的地址指定操作则需要修改地址，加上或减去（若是downcast）介于中间的base class subobjects的大小。C++并未要求多重继承时derived class object中各个base class subjectes的排列次序，目前各个编译器都是根据声明次序来排列它们。
7． class内如果内含一个或多个virtual bass class subobjects，将被分割为两部分：一个不变局部和一个共享局部。不变局部总是拥有固定的offset，其数据用以指定共享局部的位置，可以直接存取；而共享局部表现的就是virtual base class subobject，其位置会因为每次的派生操作而变化，只可间接存取。各家编译器实现技术之间的差异就在于间接存取的方法不同。
8． 一般而言，virtual base class最有效的一种运用方式是：一个没有任何data member的抽象class。
2002-7-14
3.5 对象成员的效率
如果没有把优化开关打开，就很难猜测一个程序的效率表现，因为程序代码潜在性的受到某些与编译器有关的东西的影响。程序员如果关心效率，应该实际测试，不要光凭推论或常识判断或假设。优化操作并不一定总是能够有效运行。
2002-7-15
3.6 指向Data Members的指针
指向data members的指针可用来详细调查class members的底层布局，可用来决定vptr是放在class的起始处还是尾端，还可用来决定class中access sections的次序。
取一个nonstatic data member的地址，将会得到它在class的offset；而取一个static data member的地址或者取一个绑定于真正class object身上的data member的地址，将会得到该member在内存中的真正地址。这也正是someType someClass::*和someTye *潜在的区别。
2002-7-16
Function语意学 The Semantics of Function
C++支持三种类型的member functions：static、nonstatic和virtual，每一种类型的调用方式都不同。
4.1 Members的各种调用方式
1． C++的设计准则之一便是nonstatic member function至少必须和一般的nonmember function有着相同的效率。编译器内部会将member函数实体转换为对等的nonmember函数实体，其步骤为：
ü 改写函数原型signature以安插一个额外的参数this到member function中，使得class object可以调用该函数。其中，this是const指针，若该函数为const，则反映在this上面的结果是this指向的data也为const；
ü 将每一个对nonstatic data member的存取操作改为经由this指针来存取；
ü 将member function重新写成一个外部函数，对函数名称进行mangling处理；
此后，每一个函数调用操作也都必须转换，用以提供相应的实参。
2． 关于虚拟函数的内部转换步骤：若normalize是一个virtual member function，ptr->normalize();会被内部转化为(*ptr->vptr[t])(ptr); 事实上，vptr名称也会被mangled，因为可能存在有多个vptrs；t是vitrual table slot的索引值，关联到normalize函数；第二个ptr表示this指针。
3． 使用class scope operator明确调用一个vitual function，或经由一个class object调用一个vitual function其决议方式会和nontatic member function一样！故virtual function的一个inline函数实体可被扩展开来，因而提供极大的效率利益。
4． static member function的主要特征是没有this指针，这导致它不能直接存取其class中的nonstatic members，不能被声明为const、volatile或virtual，也不需要经由class object才能调用。static member function会被提出于class声明之外，并给予一个经过mangled的适当名称。如果取一个static member function的地址，得到的将是其在内存中的地址，其地址类型并不是一个指向class member function的指针，而是一个nonmember函数指针。static member function的一个意想不到的好处是可以成为一个callback函数，也可以成功地应用在thread函数身上。
2002-07-17
4.2 Virtual Member Functions虚拟成员函数
1． C++中，多态polymorphism表示以一个public base class指针或reference寻址出一个derived class object。识别一个class是否支持多态，唯一适当的方法试看它是否有任何virtual function。只要class拥有一个virtual function，它就需要一份额外的执行期型别判断信息。
2． 一个class只会有一个virtual table，其中内含对应class object中所有的active virtual functions的函数实体的地址。这些active virtual functions包括：
ü 一个class定义的函数实体。它会改写overriding一个可能存在的base class virtual function。
ü 继承自base class的函数实体。此时该class不改写base class virtual function。
ü 一个pure_virtual_called()函数实体，它既可以扮演pure virtual function的空间保卫者，也可以当作执行期异常处理函数。如果该函数被调用，通常的操作是结束程序。
3． 每一个virtual function都被指派一个固定不变的索引值，该值在整个继承体系中保持与特定virtual function的关联。这样就可以在编译时期设定virtual function的调用。
2002-7-20
4． 多重继承下，一个上层basse classes数目为n的derived class，它将内含n-1个额外的virtual tables。其主要实体与最左端的base class共享，其中包含所有virtual functios的地址；n-1个次要实体与其它base classes有关，其中只包含出现在对应base class中virtual functions的地址。
5． 在多重继承中支持virtual function，其复杂度围绕在第二个及后继base class上，以及执行期this指针调整上。第二（或后继）base class会影响对virtual function支持的3种情况：
ü 通过指向第二个base class的指针，调用derived class virtual function；
ü 通过指向derived class的指针，调用第二个base class中一个继承而来的virtual function；
ü 允许virtual function函数的返回值类型有所变化，可能是base type，也可能是publicly derived type。
6． 关于执行期this指针调整比较有效率的解决方法是thunk。所谓thunk是一小端assembly码，用来以适当的offset值来调整this指针并跳到相应的virtual function。thunk技术允许virtual table slot继续内含一个简单的指针，此时多重继承将不需要任何空间上的额外负担！slots中的地址可以直接指向virtual function，也可以指向一个相关的thunk。
4.3 函数的效能
nonmember、static member和nonstatic member function在内部都会转化为完全相同的形式，三者效率相同。
2002-08-08
4.4 指向Member Function的指针
对一个nonstatic member function取址，得到的是该函数在内存中的地址；而面对一个virtual function，得到的将是一个索引值。这个值是不完整的，必须被绑定于一个class object上，才能够通过它调用函数。指向member function的指针的声明语法，以及指向member selection运算符的指针，其作用是作为this指针的空间保留者。因此，static member function的类型是函数指针，而不是指向member function的指针。
使用一个member function指针，如果并不用于virtual function、多重继承、virtual base class等情况的话，其成本并不比使用一个nonmember function指针要高。
4.5 Inline Functions
关键词inline只是一项请求。如果在某个层次上，函数的执行成本比一般的函数调用及返回机制所带来的负荷低，那么该请求被接受，编译器就用一个表达式合理地将函数扩展开来。真正的inline函数扩展操作是在函数调用的那一点上。在inline扩展期间，每一个形式参数会被对应的实际参数所取代，inline函数中的每一个局部变量都必须被放在函数调用的一个封闭区段中，并拥有一个独一无二的名称。这会带来参数的求值操作以及临时性对象的管理。
2002-08-11
构造、解构、拷贝语意学 Semantics of Construction, Destruction, and Copy
1． 一般而言，class的data member应该被初始化，而且只在constructor中或其它member functions中初始化，其它任何操作都将破坏其封装性质，使其维护和修改更加困难。
2． 可以定义并调用invoke一个pure virtual function，但它只能被静态调用，不能经由虚拟机制调用。每一个derived class destructor会被编译器加以扩展，静态调用每一个virtual base class以及上一层base class的destructor。因此，不管base class的virtual destructor是否声明为pure，它必须被定义。
5.1 无继承情况下的对象构造
C++ Standard要求编译器尽量延迟nontrivial members的实际合成操作，直到真正遇到其使用场所为止。
5.2 继承体系下的对象构造
一般而言，继承体系下编译器对constructor所作的扩充操作以及次序大约如下：
ü 所有virtual base class constructors必须从左到右、从深到浅被调用：如果class被列于member initialization list中，那么任何明确指定的参数都必须传递过去，否则如果class有一个default constructor，也应该调用它；class中的每一个virtual base class subobject的偏移量offset必须在执行期可被存取；如果class object是最底层most-derived的class，其constructors可能被调用，某些用以支持这个行为的机制必须被方进来。
ü 以base class的声明次序调用上一层base class constructors：如果base class被列于member initialization list中，那么任何明确指定的参数都必须传递过去，否则若它有default constructor或default memberwise copy constructor，那么就调用它；如果base class是多重继承下的第二或后继的base class，那么this指针必须有所调整。
ü 如果class object有virtual table pointer(s)，它（们）必须被设定初值，指向适当的virtual table(s)。
ü 如果有一个member没有出现在member initialization list中，但它有default constructor，调用之。
ü 将member initialization list中的data members的初始化操作以members的声明次序放进constructor的函数本身。
2002-8-18
5.3对象复制语意学 Object Copy Semantics
1． 只有在默认行为所导致的语意不安全或者不正确以致发生别名化aliasing或者内存泄漏memory leak时，才需要设计一个copy assignment operator。否则，程序反倒会执行得较慢。
2． 如果仅仅是为了把NRV优化开关打开而提供一个copy constructor，那么就没有必要一定要提供一个copy assignment operator。
3． copy assignment operator有一个非正交情况，那就是它缺乏一个平行于member initialization list的member assignment list。调用base class的copy assignment operator示例：
Point::operator = (p3d); 或 (*(Point*)this) = p3d; 或 (Point &)(*this) = p3d;
4． 事实上，copy assignment operator在虚拟继承情况下行为不佳，需要小心设计和说明。许多编译器甚至并不尝试取得正确的语意，它们在每一个中间的copy assignment operator中调用每一个base class instance，于是造成virtual base copy assignment operator的多个实体被调用。建议尽可能不要允许一个virtual base class的拷贝操作，并不要在任何virtual base class中声明data member。
5.5解构语意学 Semantics of Destruction
如果class没有定义destructor，那么只有在其内带的member object或base class拥有destructor时，编译器才会自动合成出一个destructor。一个由程序员定义的destructor被扩展的方式类似constructors被扩展的方式，只是顺序相反：
ü destructor的函数本体首先被执行；
ü 如果class拥有member class objects，而后者拥有destructors，那么它们将以声明的相反顺序而调用；
ü 如果object内带一个vptr，则现在被重新设定以指向适当base class之virtual table；
ü 如果有任何直接的nonvirtual base classes拥有destructor，它们将以声明的相反顺序而调用；
ü 如果有任何virtual base classes拥有destructor，而前面讨论的这个class是most-derived class，那么它们会以原先构造顺序的相反顺序被调用。
2002-8-19
执行期语意学 Runtime Semantics
6.1对象的构造和解构
1． 一般而言，constructor和destructor的安插都如你所预期。但如果一个区段或函数中有一个以上的离开点，情况就会复杂一些，destructor会放在每一个离开点之前。通常，我们要求将object尽可能放在使用它的那个程序区附近，这样做可以节省不必要的对象产生和销毁操作。
2． C++程序中所有的global objects都被放置在程序的data segment中，如果不明确指定初值，object所配置的内存内容将为0（C并不自动设定初值）。如果global object有constructor和destructor的话，我们说它需要静态的初始化和内存释放操作。
2002-8-20
3． virtual base class的subobject在每个derived class中的位置可能会变动，不能在编译时期确定。以一个derived class的pointer或reference来存取virtual base class subobject，是一种nonconstant expression，必须在执行期方可评估求值。
4． 使用静态初始化的object有一些缺点。其一，无法放入try区段，任何throw操作必将触发exception handling library的默认函数terminate()；其二，程序员必须为控制“需要跨越模块做静态初始化”objects的依赖顺序而产生的复杂度付出代价。建议根本就不要使用那些需要静态初始化的global objects。
5． 新的C++标准要求编译单位中的static local class objects必须在相应函数第一次被调用时才被构造，而且必须以相反的次序销毁。由于这些objects是在需要时才被构造，因此编译时期无法预期其集合和顺序。为支持新标准，可能要对被产生出来的static local class objects保持一个执行期链表。
2003-8-1
6． 对于对象数组定义，晚近的编译器一般会提供两个函数，分别用于处理没有virtual base class的class，以及内带virtual base class的class ，它们通常被称为vec_new、vec_vnew。前者类型通常为：
void* vec_new( // 初始化程序员未提供初值的连续元素
void *array, // 数组起始地址若为0，则动态分配
size_t elem_size, // 每一个class object的大小
int elem_count, // 数组中的元素数目
void (*constructor) (void *), // class的default constructor指针
void (*destructor) (void *, char) // class的destructor指针，以0填入
); 如果程序员提供带有默认参数值的default constructor，编译器要做特殊处理，以传入默认参数值！
对应销毁数组的两个函数分别为vec_delete、vec_vdelete。前者类型通常为：
void* vec_delete(
void *array, // 数组起始地址
size_t elem_size, // 每一个class object的大小
int elem_count, // 数组中的元素数目
void (*destructor) (void *, char) // class的destructor指针
);
6.2 new和delete运算符
注意区分operator new和new operator！前者负责分配内存；后者先调用前者分配内存，然后调用constructor以实施初始化。
完
《深度探索C++对象模型》读书笔记
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