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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。 • 物件模型底層的實做機制並未標準化,各家compiler作法不一。 • 但解答許多問題必須根源與我們對C++ object model的瞭解。

  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. 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. float x; float x; float y; float y; float z; oPt2d oPt3d 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。 Class CPoint2d{ public : ….. protected : float x; float y; } oPt2d ; Class CPoint3d : public CPoint2d { public: … protected: float z; }oPt3d ;

  12. float x; float y; float z; * next; 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。 Class CPoint3dV: public CPoint2d ,public CVertex { public: … protected: float z; }oPt3dV ; Class CVertex{ Vertex *next; } oV; * next; oV 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 ostream ostream istream istream iostream iostream 多重繼承 虛擬多重繼承

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

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

  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。 • 經由虛擬機制喚起指標所指之object的虛擬函式實體。 • Object保有type-info。 • Dynamic_cast可對Object point做型別轉換的安全檢查。

  19. Vertex *next vpbassPoint2d vptr_Vertex float z vpbassPoint2d vptr_point3d Unnatural polymorphism • 當derive objectassign 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 (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. float x; Type_info * vptr ; ~point() Virtual table for point show() point(float) point-count PointCount() x() C++物件模型 • 兩種data member : static/nonstatic data; • 三種memberfunction: 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; };