C++: Under the Hood(zh-CN)

C++: Under the Hood(zh-CN)

这是Jan Gray在1994的一篇文章，是以Visual C++作为实现来讲解C++对象布局、继承、多态等的实现

下面是我的阅读笔记：

Intruduction

理解编程语言如何实现是非常重要的。这些关于语言实现的知识驱散了类似“编译器究竟在这里做了什么手脚？”之类的恐惧和疑问；给予了使用新特性的信心；并提供了调试和学习其他语言特性时的领悟力。它也提供了每天写最有效率代码的感觉。

本篇认真探索C++的底层，解释“运行时”实现细节，如类布局技术和virtual函数调用机制。将解释的问题包括：

• 类如何内存布局？
• 数据成员如何访问？
• 成员函数如何调用？
• 什么是adjuster thunk?
• 代价如何：
  • 单继承、多继承、虚继承
  • 虚函数和虚函数调用
  • cast到基类或虚基类
  • 异常处理

Class Layout

本节，我们将考虑不同类型继承的内存布局

C-like Structs

和C是兼容的，struct遵循简单的结构体布局规则：按成员声明的顺序布局，并受制于实现定义的对齐填补

所有的C++厂商确保有效的struct由他们的C++编译器存储保持相同

例子：

struct A {

    char c;

    char i;

};

C-like Structs with C++ feature

这里B是一个带C++风格的的struct：有public/protected/private 访问控制符，成员函数，静态成员和嵌套的类型声明。

只有那些non-virtual 的数据成员在每个实例占有空间

struct B {

public:

    int bm1;

protected:

    int bm2;

private:

    int bm3;

    static int bsm;

    void bf();

    typedef void * bpv;

    struct N {};

};

Single Inheritance

struct C {

    int c1;

    void cf();

};

struct D : C {

    int d1;

    void df();

};

在D中，虽然没有要求说c的实例数据必须优先于D的实例数据，但是语言实现这样布局可以确保D中的基类子对象c的起始地址和D实例对象的起始地址一样，这样当我们需要从D*得到子对象地址时可以减少开销。

于是，在单继承的类层次中，新的实例数据成员仅仅是简单的追加到基类布局的后面。

Multiple Inheritance

在大多数设计中，单继承已经有足够表达力来表达继承关系。但是有时，我们希望继承类能取得两个或更多类的行为，多继承正好满足了这个要求。

struct E {

    int e1;

    void ef();

};

struct F : public C, E {

    inf f1; 

    void ef();

};

F继承自C和E，并且F的实例包含了每个基类的实例。但是不像单继承，不可能使得每个基类子对象的地址都和继承类的实例地址保持一样，其中只能有一个一样，其他的得做偏移。

既然存在地址偏移，我们注意到当我们做cast的时，对于需要地址偏移的cast显然有效率代价。

当然了，这种偏移对于语言使用者来说是透明的，偏移计算由编译器来实现。

Virtual Inheritance

struct G : virtual C {

    int g1;

    void gf();

}

struct H : virtual C {

    int h1;

    void hf();

}

struct I : G, H {

    int i1;

    void _if();

}

在G和H，C子对象的数据成员都是紧随各自数据成员之后。

但是当布局I时，我们不可能保留原有的位置关系，在上面例子中，对于G实例对象中，G到C的偏移与在I实例中的G到C的偏移并不相同。由于编译后，并不知道其从哪个类继承，于是必须有一种方法来计算继承类到虚基类的地址偏移。

在VC++中，这是通过添加一个隐藏的指针vbptr（虚基表指针）来实现的。它指向了一个类共享的地址偏移表。通常指向的虚基表中的第二项就是到虚基类的偏移

如图中的IdGvbptrC和IdHvbptrC

 

Data Member Access