C++ Object Model 台大資工多媒體實驗室 林昂賢.

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1 C++ Object Model 台大資工多媒體實驗室 林昂賢

2 Preview What is C++ object model ? Class and object data member access
single object layout Inheritance object layout polymorphism virtual

3 C++ object model C++ compiler底層的實做機制，用來實做各物件的運作模型，使之能具備C++諸多物件導向的性質。

4 Class Class是一種abstract data type. 在class宣告時，包含兩種成員：
1.data member ：描述class object之屬性。 2.member function：描述class object之行為。 利用class這樣的abstract data type，我們可以定義出(造出）許多的這種 type 的instantiation叫做object。

5 Static Data Member 屬於class層級的資料，所有object共享一份static data member。
存取static member不需要透過任何的object，在無任何object時已透過member selection operators 來存取。 所有的存取都會被compiler轉化為extern實體的直接參考動作 Ex. CPoint3D::size = 300;

6 &(this) + (data member offset)
Nonstatic Data Member 對於nonstatic data member的存取，實際上是透過implicit的this指標來完成。 存取會轉換成 &(this) + (data member offset) 由於offset在compiler time就可算出，其效率等於存取一個C struct member.

7 Single Object layout 一個object的實體之內只含class 之 nonstatic data member及某些輔助機制(vptr)。 Class member functions 獨立於object實體之外是獨一無二的一份函示實體（即多個object共享相同的函示實體。） 同一個access section的data members排列順序根據其宣告順序而定。 Access section的排列順序無強制規定。

8 Single Object layout (cont. 2)
Class CPoint3d{ public: //….. Private: float x; static int size = 250; int y; void draw(); static int point- count(); private: char z; }; CPoint3d object x y z

9 Inheritance 繼承之於Nonstatic data members，是指base object members存在在derived object 中。 繼承之於Member functions，是指繼承了對base class’s member function的呼叫權利。 繼承之於Static data member，是指繼承了對bass class static data member的存取權利。

10 物件模型在繼承下 Layout的原則 C++保證，『出現在derived class中的bass class subobject有其完整之原樣性』。 Derived class layout = [ direct bass class ]s + [ 自己新增的data member (nonstatic data or vptr) ]

11 單一繼承的物件模型 單一繼承：指每一個class的direct bass class只能有一個，繼承的深度沒有限制。 float x;
Class CPoint2d{ public : ….. protected : float x; float y; } oPt2d ; Class CPoint3d : public CPoint2d { public: … protected: float z; }oPt3d ; oPt3d float x; float y; float z; float x; float y; oPt2d

12 多重繼承的物件模型 多重繼承：指每一各class有兩個以上的direct base class，繼承的深度沒有限制。 float x;
Class CPoint3dV: public CPoint2d ,public CVertex { public: … protected: float z; }oPt3dV ; float x; float y; Class CVertex{ Vertex *next; } oV; * next; oV * next; float z; oPt3dV

13 虛擬繼承 Shared subobject 繼承的機制。 多重繼承與虛擬多重繼承的比較： ios ios ios istream
ostream istream ostream iostream iostream 多重繼承 虛擬多重繼承

14 虛擬繼承的物件模型(1) 下面是Cvertex3d虛擬繼承的架構： Class Point2d{ public : …
protected: float x; float y; }; Class Vertex: public virtual Point2d{ public : … protected : vertex *next; }; Class Point3d: public virtual Point2d{ public : … protected : float z; }; Class Vertex3d: public virtual Vertex, public Point3d { public : … protected : float z; };

15 虛擬繼承的物件模型(2) Vptr_Point2d float x float y vptr_Vertex vpbassPoint2d
Vertex *next Vertex oV Vptr_Point2d float x float y float z vpbassPoint2d vptr_point3d vptr_Vertex Vertex *next Float mumble Vertex3d oV3d Vptr_Point2d float x float y Point oPt2d Vptr_Point2d float x float y float z vpbassPoint2d vptr_point3d Point3d oPt3d

16 Polymorphism(1) 多型：以同一指標指向不同型別的物件。 群：一群“同型”但不全然相同的個體。Ex.一群大學生。
多型抽象目的：利用“群”的觀念，實現general演算法，並保有“個體”間的差異。 不同的derived class object彼此之間有差異，但屬於相同的bass class“群” 。 多型實做方式：bass point代表群，供general演算法來使用，bass point可指向向其derived class object保有個體差異。

17 Polymorphism(2) Ex. Bass class 魚， drive class 大肚魚，金魚，鯊魚
魚的point可以指向大肚魚、金魚、鯊魚魚的object。利用演算法：『由第一隻魚到最後一隻魚，魚開始游泳』可使所有的魚都開始游泳，但不同類的魚會依照自己的方式來游。 演算法簡潔，且保持個體之間的特性。 演算法設計者不需瞭解物件的如何實做。

18 C++如何支援多型 經由隱含轉型動作，允許derived class object轉化給base type point來指。
Object保有type-info。 Dynamic_cast可對Object point做型別轉換的安全檢查。

19 Unnatural polymorphism
當derive object assign 給bass pointer時，需暗含this point位移調整時，稱unnatural polymorphism。 暗含的位移調整工作由complier偷偷插入程式之中。 Ex. Vertext *pVertex = new Vertext3d; this pointer float z vpbassPoint2d vptr_point3d vptr_Vertex Vertex *next (offset) *pVertex Vertex3d Vertex * object

20 Virtual function Ex. Point2d * pPoint = new Vertex3d;
pPoint->draw(); 當你希望draw()的呼叫是根據pPoint所指的物件而不是pPoint的型別時，draw()必須是virtual function。 Virtual function ：使當利用指標來呼叫函式時，呼叫的函式實體是根據指標所指的物件的型別來決定，而不是根據指標的型別來決定。

21 Virtual function in Object model
每個object內有一個vptr指標，指向virtual function table。 每一個class有一個virtual function table(供object之vptr所指）內含class之中有作用的virtual function的address。 Virtual function table 的index 0 存放的是type-info用以支援runtime type identification (RTTI)。

22 Virtual table for point
C++物件模型 兩種data member : static/nonstatic data; 三種member function: static/nonstatic/virtual function; Class Point{ public: point(float xtal); virtual ~Point(); float x() const; static int PointCount(); protected : virtual void show(); float x; static int point-count; }; Virtual table for point point-count PointCount() point(float) x() show() ~point() Type_info * vptr ; float x;