深度探索C++对象模型：三种对象模型

男娘i 2023-02-25 08:39 130阅读 0赞

## 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。转载请注明出处：单刀土豆

## 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：

![image][]

*  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：

![image][image 1]

*  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：

![image][image 2]

*  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` ，详细会在后面博文讨论。

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