C++程序设计之兼谈对象模型

2023-05-16

前言

应具备的基础

是上一篇博文“面向对象程序设计”的续集
本文将探讨上文未讨论的主题

目标

在先前培养正规、大器的编程素养上，继续探讨更多技术。
泛型编程(Generic Programming)和面向对象编程(Object-Oriented Programming)虽然分属不同思维，但它们正是C++的技术主线。本文也讨论template(模板)。
深入探索面向对象之继承关系(inheritance)所形成的对象模型(Object Model)，包括隐藏于底层的this指针，vptr指针（虚指针），vtbl(虚表)，virtual mechanism（虚机制），以及虚函数(virtual functions)造成的polymorphism（多态）效果。

将获得的代码

Test-Cpp.cpp

C++编译器

编译(compile)
连接(link)

conversion function, 转换函数

class Fraction
{
public:
    Fraction(int num, int den=1):m_numerator(num), m_denominator(den) { }
    operator double() const
    {
        return (double)(m_numerator / m_denominator)
    }
private:
    int m_numerator;//分子
    int m_denominator;//分母
};

使用：

Fraction f(3, 5);
double d = 4 + f;//调用operator double()将f转为0.6

non-explicit-one-argument ctor

class Fraction
{
public:
    Fraction(int num, int den=1):m_numerator(num), m_denominator(den) { }

    Fraction operator+(const Fraction& f)
    {
        return Fraction(......);
    }
private:
    int m_numerator;
    int m_denominator;
};

使用：

Fraction f(3, 5);
Fraction d2 = f + 4;//调用non-explicit ctor将4转为Fraction(4, 1)，然后调用operator+

conversion function vs. non-explicit-one-argument ctor

class Fraction
{
public:
    Fraction(int num, int den=1):m_numerator(num), m_denominator(den) { }
    operator double() const
    {
        return (double) (m_numerator / m_denominator);
    }
    Fraction operator+(const Fraction& f)
    {
        return Fraction(......);
    }
private:
    int m_numerator;
    int m_denominator;
};

使用：

Fraction f(3, 5);
Fraction d2 = f + 4;//[ERROR]ambiguous 二义

explicit-one-argument ctor

class Fraction
{
public:
    explicit Fraction(int num, int den=1):m_numerator(num), m_denominator(den) { }
    operator double() const
    {
        return (double) (m_numerator / m_denominator);
    }
    Fraction operator+(const Fraction& f)
    {
        return Fraction(......);
    }
private:
    int m_numerator;
    int m_denominator;
};

使用：

Fraction f(3, 5);
Fraction d2 = f + 4;//[ERROR]conersion from 'double' to 'Fraction' requested

conversion function, 转换函数
proxy

template<class Alloc>
class vector<bool, Alloc>
{
public:
    typedef __bit_reference reference;
protected:
    reference operator[] (size_type n)
    {
        return *(begin() + difference_type(n));
    }
...

struct __bit_reference
{
    unsigned int* p;
    unsigned int mask;
    ...
public:
operator bool() const {return !(!(*p & mask)); }
...

pointer-like classes, 关于智能指针

template<class T>
class shared_ptr
{
public:
    T& operator*() const
    {return *px;}

    T* operator->() const
    {return px;}

    shared_ptr(T* p):px(p) { }

private:
    T* px;
    long* pn;
...
};

使用：

struct Foo
{
    ...
    void method(void) {......}
};

shared_ptr<Foo> sp(new Foo);

Foo f(*sp);

sp->method();

相当于

px->method();

pointer-like classes, 关于迭代器

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
    typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
    typedef Ptr pointer;
    typedef Ref reference;
    typedef __list_node<T>* link_type;
    link_type node;
    bool operator==(const self& x) const {return node == x.node; }
    bool operator!=(const self& x) const { return node != x.node; }
    reference operator*() const { return {*node}.data; }
    pointer operator->() const { return &(operator*());}
    self& operator++() { node = (link_type)((*node).next); return *this;}
    self operator++(int) { self tmp = *this; ++*this; return tmp;}
    self& operator--() { node = (link_type)((*node).prev); return *this;}
    self operator--(int) { self tmp = *this; --*this; return tmp; }
};

使用：

list<Foo>::iterator ite;
...
*ite;//获得一个Foo object
ite->method();
//意思是调用Foo::method()
//相当于(*ite).method();
//相当于(&(*ite))->method();

funciton-like classes, 所谓仿函数

template <class T>
struct identity
{
    const T&
    operator() (const T& x) const { return x; }
};

template <class Pair>
struct select1st
{
    const typename Pair::first_type&
    operator() (const Pair& x) const
    { return x.first; }
};

template <class Pair>
struct select2nd
{
    const typename Pair::second_type&
    operator() (const Pair& x) const
    { return x.second; }
};

template <class T1, class T2>
struct pair
{
    T1 first;
    T2 second;
    pair() : first(T1()), second(T2()) {}
    pair(const T1& a, const T2& b): first(a), second(b) {}
......
};

标准库中仿仿函数的奇特模样

template <class T>
struct identity : public unary_function<T, T>
{
    const T&
    operator() (const T& x) const { return x; }
};

template <class Pair>
struct select1st : public unary_function<Pair, typename Pair::first_type>
{
    const typename Pair::first_type&
    operator() (const Pair& x) const
    { return x.first; }
};

template <class Pair>
struct select2nd : public unary_function<Pair, typename Pair::second_type>
{
    const typename Pair::second_type&
    operator() (const Pair& x) const
    { return x.second; }
};

template <class T>
struct plus : public binary_function<T, T, T>
{
    T operator()(const T& x, const T& y) const { return x + y; }
};
template <class T>
struct minus : public binary_function<T, T, T>
{
    T operator()(const T& x, const T& y) const { return x - y; }
};
template <class T>
struct equal_to : public binary_function<T, T, bool>
{
    T operator()(const T& x, const T& y) const { return x == y; }
};
template <class T>
struct plus : public binary_function<T, T, bool>
{
    T operator()(const T& x, const T& y) const { return x < y; }
};

标准库中，仿函数所使用的奇特的base classes

template <class Arg, class Result>
struct unary_function
{
    typedef Arg argument_type;
    typedef Result result_type;
};

template <class Arg1, class Arg2, class Result>
struct binary_function
{
    typedef Arg1 first_argument_type;
    typedef Arg2 second_argument_type;
    typedef Result result_type;
};

less::result_type->bool

namespace经验谈

using namespace std;
//-----------------------------------
#include<iostream>
#include<memory>//share_ptr
namespace jj01
{
void test_member_template()
{ ...... }
}//namespace
//-----------------------------------
#include<iostream>
#include<list>
namespace jj02
{
template<typename T>
using Lst = list<T, allocator<T>>;
void test_template_template_param()
{ ...... }
}//namespace
//-----------------------------------

使用：

int main(int argc, char** argv)
jj01::test_member_template();
jj02::test_template_template();

class template, 类模板

template<typename T>
class complex
{
public:
    complex(T r = 0, T i = 0)
    : re(r), im(i)
    {}
    complex& operator += (const complex&);
    T real () const { return re; }
    T imag () const { return im; }
private:
    T re, im;

    friend complex& __doapl (complex*, const complex&);
};

使用：

{
    complex<double> c1(2.5, 1.5);
    complex<int> c2(2, 6);
    ...
}

function template, 函数模板

stone r1(2, 3), r2(3, 3), r3;
r3 = min(r1, r2);

编译器会对function template进行实参推导(argument deduction)

template <class T>
inline const T& min(const T& a, const T& b)
{
    return b < a ? b : a;
}

实参推导的结果，T为stone，于是调用stone::operator<

class stone
{
public:
    stone(int w, int h, int we) 
    : _w(w), _h(h), _weight(we)
    { }
    bool operator< (const stone& rhs) const
    { return _weight < rhs._weight; }
private:
    int _w, _h, _weight;
};

member template, 成员函数

template <class T1, class T2>
struct pair
{
    typedef T1 first_type;
    typedef T2 second_type;

    T1 first;
    T2 second;

    pair()
        : first(T1()), second(T2()) {}
    pair(const T1& a, const T2& b)
        : first(a), second(b) {}
    template <class U1, class U2>
    pair(const pair<U1, U2>& p)
        : first(p.first), second(p.second) {}
};

class Base1{};
class Derived1:public Base1{};

class Base2{};
class Derived2:public Base2{};

pair<Derived1, Derived2>p;
pair<Base1, Base2>p2(p);

pair<Base1, Base2>p2(pair<Derived1, Derived2>());

template<typename _Tp>
class shared_ptr:public __shared_ptr<_Tp>
{
...
    template<typename _Tp1>
    explicit shared_ptr(_Tpl* __p)
    :__shared_ptr<_Tp>(__p){}
...    
};

Base1* ptr = new Derived1;//up-cast
shared_ptr<Base1>sptr(new Derived1);//模拟up-cast

specialization, 模板特化

【注】特化反义词：泛化

泛化

template <class Key>
struct hash{ };

特化

template<>
struct hash<char>
{
    size_t operator() (char x) const { return x; }
};

template<>
struct hash<int>
{
    size_t operator() (int x) const { return x; }
};

template<>
struct hash<long>
{
    size_t operator() (long x) const { return x; }
};

使用：

cout << hash<long>() (1000);

泛化又叫full specialization，全泛化，对应偏特化。

patial specialization, 模板偏特化——个数的偏

template<typename T, typename Alloc=...>
class vector
{
    ...
};

绑定

template<typename Alloc=...>
class vector<bool, Alloc>
{
    ...

patial specialization, 模板偏特化——范围的偏

template <typename T>
class C
{
    ...
};

【注】上下的T不是一个T

template <typename T>
class C<T*>
{
    ...
};

这样写也可以

template <typename U>
class C<U*>
{
    ...
};

使用：

C<string> obj1;
C<string*> obj2;

template template parameter, 模板模板参数

template<typename T, 
        template <typename T>
            class Container
        >
class XCls
{
private:
    Container<T> c;
public:
    ......
};

template<typename T>
using Lst = list<T, allocator<T>>;

XCls<string, list> mylst1;//错误
XCls<string, Lst> mylst2;

template<typename T,
            template <typename T>
                class SmartPtr
        >
class XCls
{
private:
    SmartPtr<T> sp;
public:
    XCls():sp(new T) { }
};

XCls<string, shared_ptr> p1;
XCls<string, unique_ptr> p2;//错误
XCls<int, weak_ptr> p3;//错误
XCls<long, auto_ptr> p4;

这不是template template parameter

template <class T, class Sequence = deque<T>>
class stack
{
    friend bool operator== <> (const stack&, const stack&);
    friend bool operator< <> (const stack&, const stack&);

protected:
    Sequence c;//底层容器
......
};

使用

stack<int> s1;
stack<int, list<int>> s2;

关于C++标准库

容器

Sequence containers

array
vector
deque
forward_list
list

Container adaptors

stack
queue
priority_queue

Associative containers

set
multiset
map
multimap

Unordered associative con

unordered_set
unordered_multiset
unordered_map
unordered_multimap

算法

…

Sorting

sort
stable_sort
partial_sort
partial_sort_copy
is_sorted
is_sorted_until
nth_element

Binary search

lower_bound
upper_bound
equal_range
binary_search

Merge

merge
inplace_merge
includes
set_union
set_intersection
set_difference
set_symmetric_difference

…

推书：Algorithms + Data Structures = Programs(Niklaus Wirth)

确认支持C++11： macro __cplusplus
测试：
VS2012

#include"stdafx.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    cout<<__cplusplus<<endl;
    return 0;
}

Dev-C++ 5

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout<<__cplusplus;
}

如果是199711，则不支持C++11，需修改编译器
如果是201103，则支持C++11

variadic templates(since C++11) 数量不定的模板参数

void print()
{
}

template<typename T, typename... Types>
void print(const T& firstArg, const Type&... args)
{
    cout<<firstArg<<endl;
    print(args...);
}

Inside variadic templates, sizeof…(arg) yields the number of arguments

…就是一个所谓的pack(包)
用于template parameters, 就是template parameters pack(模板参数包)
用于function parameter types, 就是function parameter types pack(函数参数类型包)
用于function parameters, 就是function parameters pack(函数参数包)

使用：

print(7.5, "hello", bitset<16>(377), 42);

结果：

7.5
hello
0000000101111001
42

auto(since C++11)

过去：

list<string> c;
...
list<string>::iterator ite;
ite = find(c.begin(), c.end(), target);

现在：

list<string> c;
...
auto ite = find(c.begin(), c.end(), target);

错误：

list<string> c;
...
auto ite;//错误
ite = find(c.begin(), c.end(), target);

ranged-base for(since C++11)

for(decl : coll)
{
    statement
}

for(int i : {2, 3, 5, 7, 9, 13, 17, 19})
{
    cout<< i << endl;
}

vector<double> vec;
...
for(auto elem : vec)//pass by value
{
    cout << elem << endl;
}

for(auto& elem : vec)// pass by reference
{
    elem *= 3;
}

reference

int x=0;
int* p = &x;
int& r = x;//r代表x。现在r,x都是0
int x2 = 5;

r = x2;//r不能重新代表其他物体。现在r,x都是5
int& r2 = r;//现在r2是5(r2代表r:亦相当于代表x)

从内存上看，
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-bWdLqDZF-1634388189033)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——reference.png?raw=true)]

注意：

sizeof® == sizeof(x)
&x = &r;

object和其reference的大小相同，地址也相同（全都是假象）
Java里头所有变量都是reference

typedef struct Stag{int a, b, c, d;} S;
int main()
{
    double x = 0;
    double* p = &x;//p指向x，p的值是x的地址
    double& r = x;//r代表x,现在r,x都是0

    cout << sizeof(x) << endl;//8
    cout << sizeof(p) << endl;//4
    cout << sizeof(r) << endl;//8
    cout << p << endl;//0065FDFC
    cout << *p << endl;//0
    cout << x << endl;//0
    cout << r << endl;//0
    cout << &x << endl;//0065FDFC
    cout << &r << endl;//0065FDFC

    S s;
    S& rs = s;
    cout << sizeof(s) << endl;//16
    cout << sizeof(rs) << endl;//16
    cout << &s << endl;//0065FDE8
    cout << &rs << endl;//0065FDE8
    }

object和其reference的大小相同，地址也相同（全都是假象）

reference的常见用途

void func1(Cls* pobj) {pobj->xxx();}
void func2(Cls obj) {obj.xxx();}被调用端 写法相同，很好
void func3(Cls& obj) {obj.xxx();}//被调用端 写法相同，很好
......
Cls obj;
func1(&obj);//接口不同，困扰
fun2(obj);//调用端接口相同，很好
func3(obj);//调用端接口相同，很好

reference通常不用于声明变量，而用于参数类型(parameters type)和返回类型(return type)的描述。

以下被视为"same signature"(所以二者不能同时存在)：

double imag(const double& im) {...}
double imag(const double im) {...}  //Ambiguity

【注】imag(const double& im)为signature, 不含return type.
imag(const double& im)后面可以加const, const是函数签名的一部分。
所以imag(const double& im)和imag(const double& im) const两个函数可以并存。

对象模型(Object Model):关于vptr 和 vtbl

class A
{
public:
    virtual void vfunc1();
    virtual void vfunc2();
            void func1();
            void func2();
private:
    int m_data1, m_data2;
};

class B:public A
{
public:
    virtual void vfunc1();
            void func2();
private:
    int m_data3;
};

class C:public B
{
public:
    virtual void vfunc1();
            void func2();
private:
    int m_data1 m_data4;
};

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0UWljrYa-1634388189038)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——关于vptr和vtbl.png?raw=true)]

对象模型(Object Model):关于this

Template Method
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YNGEvAi6-1634388189041)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——关于this.png?raw=true)]

再谈const

const object(data members不得变动)　　non-const object(data members可变动)
const member functions
(保证不更改data members)　　　　　　　　　　　√　　　　　　　　　　　　　　　　√
non-const member functions
(不保证data members不变)　　　　　　　　　　　×　　　　　　　　　　　　　　　　√

当成员函数的const和non-const版本同时存在，const object只会（只能）调用const版本，non-const object只会（只能）调用non-const版本。

const String str("hello world");
str.print();

如果当初设计string::print()时未指明const，那么上行便是经由const object调用non-const member function，会出错。此非所愿。

non-const member functions可调用const member functions，反之则不行，会引发：

(VC)error C2662:cannot convert 'this' pointer from 'const class X' to 'class X &'.Conversion loses qualifiers

class template std::basic_string<…>有如下两个member functions:

charT
operator[](size_type pos) const
{....../*不必考虑COW*/}

reference
operator[](size_type pos)
{....../*必须考虑COW*/}

COW:Copy On Write

对象模型(Object Model):关于Dynamic Binding

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-DeWrJbt1-1634388189045)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——静态绑定.png?raw=true)]

动态绑定三个条件：

通过指针
虚函数
向上转型

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wwVvzrIv-1634388189049)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——动态绑定.png?raw=true)]

再谈new和delete

::operator new, ::operator delete, ::operator new[], ::operator delete[]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tjntHq3a-1634388189051)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——new&delete.png?raw=true)]

重载member operator new/delete

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-U1rWQgaE-1634388189056)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——重载.png?raw=true)]

重载member operator new[]/delete[]

和上图的区别在于多了一个[]

class Foo
{
public:
    void* operator new[](size_t);
    void operator delete[](void*, size_t);
};

示例，接口

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yQKFNQIv-1634388189058)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——示例.png?raw=true)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ywNawNvp-1634388189061)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——示例2.png?raw=true)]
int 4字节，long 4字节，string（里面是个指针）4字节
有虚函数就多一个指针（12+4=16）

Foo[5] 数组，有5个，12*5=60，第一个记录有5个元素，这个记录的size为4，60+4=64
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-3dpNQINe-1634388189063)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——示例3.png?raw=true)]

重载new(), delete()

我们可以重载class member operator new(),写出多个版本，前提是每一个版本的声明都必须有独特的参数列，其中第一参数必须是size_t，其余参数以new所指定的placement arguments为初值。出现于new(…)小括号内的便是所谓placement arguments。

Foo* pf = new(300, 'c') Foo;

我们也可以重载class member operator delete()（或称此为placement operator delete），写出多个版本，但它们绝不会被delete调用。只有当new所调用的ctor抛出exception，才会调用这些重载版的operator delete()。它只可能这样被调用，主要用来归还未能完全创建成功的object所占用的memory。

示例

class Foo
{
public:
    Foo(){cout<<"Foo::Foo()" << endl; }
    Foo(int){cout << "Foo::Foo(int)" << endl; throw Bad();}//class Bad{};
    //故意在这儿抛出exception，测试placement operator delete.s

    //(1)这里就是一般的operator new()的重载
    void* operator new(size_t size)
    {
        return malloc(size);
    }

    //(2)这个就是标准库已提供的placement new()的重载（的形式），（所以此处也模拟standard placement new,就只是传回pointer）
    void* operator new(size_t size, void* start)
    {
        return start;
    }

    //(3)这个才是崭新的palcement new
    void* operator new(size_t size, long extra)
    {
        return malloc(size+extra);
    }

    //(4)这又是一个placement new
    void* operator new(size_t size, long extra, char init)
    {
        return malloc(size+extra);
    }

    //(5)这又是一个placement new, 但故意写错第一参数的type（那必须是size_t以符合正常的operator new）
    //void* operator new(long extra, char init)
    //{
    //    [Error]'Operator new' takes type 'size_t'('unsigned int') as first parameter[-fpermissive]
    //    return malloc(extra);
    //}

    //以下是搭配上述placement new的各个所谓placement delete.
    //当ctor发出异常，这儿对应的operator(placement) delete就会被调用.
    //其用于是释放对应之placement new分配所得的memory.
    //(1)这儿就是一般的operator delete()的重载
    void operator delete(void*,size_t)
    {cout << "operator delete(void*, size_t)" << endl;}

    //(2)这是对应的(2)
     void operator delete(void*,void*)
    {cout << "operator delete(void*, void*)" << endl;}  
    
    //(3)这是对应的(3)
     void operator delete(void*, long)
    {cout << "operator delete(void*, long)" << endl;}  

    //(4)这是对应的(4)
     void operator delete(void*, long, char)
    {cout << "operator delete(void*, long, char)" << endl;}

private:
    int m_i;
};

测试代码：

Foo start;
Foo* p1 = new Foo;
Foo* p2 = new(&start) Foo;
Foo* p3 = new(100) Foo;
Foo* p4 = new(100,'a') Foo;
Foo* p5 = new(100) Foo(1);//ctor抛出异常
Foo* p6 = new(100,'a') Foo(1);
Foo* p7 = new(&start) Foo(1);
Foo* p8 = new Foo(1);

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7Vk6HPpv-1634388189066)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——test.png?raw=true)]

ctor抛出异常，但G4.9没调用operator delete(void*, long),但G2.9确实调用了。

即使operator delete(…)未能一一对应于operator new(…)，也不会出现任何报错。意思是：放弃处理ctor发出的异常。

basic_string使用new(extra)扩充申请量

用于是释放对应之placement new分配所得的memory.
//(1)这儿就是一般的operator delete()的重载
void operator delete(void*,size_t)
{cout << “operator delete(void*, size_t)” << endl;}

//(2)这是对应的(2)
 void operator delete(void*,void*)
{cout << "operator delete(void*, void*)" << endl;}  

//(3)这是对应的(3)
 void operator delete(void*, long)
{cout << "operator delete(void*, long)" << endl;}  

//(4)这是对应的(4)
 void operator delete(void*, long, char)
{cout << "operator delete(void*, long, char)" << endl;}

private:
int m_i;
};

测试代码：
```cpp
Foo start;
Foo* p1 = new Foo;
Foo* p2 = new(&start) Foo;
Foo* p3 = new(100) Foo;
Foo* p4 = new(100,'a') Foo;
Foo* p5 = new(100) Foo(1);//ctor抛出异常
Foo* p6 = new(100,'a') Foo(1);
Foo* p7 = new(&start) Foo(1);
Foo* p8 = new Foo(1);

[外链图片转存中…(img-7Vk6HPpv-1634388189066)]

ctor抛出异常，但G4.9没调用operator delete(void*, long),但G2.9确实调用了。

即使operator delete(…)未能一一对应于operator new(…)，也不会出现任何报错。意思是：放弃处理ctor发出的异常。

basic_string使用new(extra)扩充申请量

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-uwxPYzi8-1634388189070)(https://github.com/hubojing/BlogImages/blob/master/C++程序设计之兼谈对象模型——basic_string.png?raw=true)]

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