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关于C/C++的一些思考(4)

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请

C++的类型转换规则:

  • 对于数值类型而言:当一个较小数值类型赋值给一个较大数值类型的时候,C++支持隐式的类型转换,不会有任何的损失;

  • 对于数值类型而言,当一个较大数值类型赋值给一个较小数值类型时候,由于较小数值类型内存空间有限,有信息丢失,这种转换被视为不安全,但仍旧可以隐式进行;

  • 对于对象类型而言,派生类对象中的信息肯定包含基类对象,将一个派生类对象赋值给基类对象的时候,肯定也有信息丢失,但是这不会影响我们使用基类对象的信息,所以这种转换被视为安全的,可以隐式进行;

  • 对于对象类型而言,反过来,如果将基类对象赋值非派生类对象,由于没有足够的信息来填充派生类对象的对应空间,这样的转换被视为不安全的;如果是按值传 递,则不能进行显示转换(除非定义转换构造函数或者转换运算符重载函数),如果是指针或者索引类型则可以进行显示转换(强制转换,可行,但无意义);对于对象类型而言,反过来,如果将基类对象赋值非派生类对象,由于没有足够的信息来填充派生类对象的对应空间,这样的转换被视为不安全的;如果是按值传 递,则不能进行显示转换(除非定义转换构造函数或者转换运算符重载函数),如果是指针或者索引类型则可以进行显示转换(强制转换,可行,但无意义);

 

对象值类型之间的类型转换:

  • 对于不同类型之间的赋值classB=classA而言,如果没有对应的赋值运算符重载函数,则首先通过转换构造函数转换,再使用赋值运算符重载函数赋值;

  • 对于不同类型之间的混合运算classB=classA+classC而言,如果没有正确参数对应的友元函数,则需要首先使用转换构造函数进行类型转换,然后调用友元函数;

  • 对于相同类型之间的初始化classB b=classB而言,调用的是拷贝构造函数,所以对于不同种类型没有作用;

  • C++对于内部数值类型的类型检查不严,认为这些类型都可以相互隐式转化,从这个角度看C++是弱类型语言;对于基类和派生类而言,派生类可通过隐式转换 到达基类(通过拷贝构造函数或者赋值运算符重载函数实现),但是基类必须通过强制转换才可以到达派生类(这些规则对于类对象类型,引用类型和指针类型都适 用),不相关类型之间的转换只能通过特殊的程序特征设计才能实现,所以从这个角度看C++是强类型语言;

 

C++中有三种强制类型转换方式:

  • 转换构造函数:当提供非目标对象类型的类型时,将调用转换构造函数创建一个临时对象,此临时对象一般情况下会用于拷贝构造函数(参数传递,初始化)或重载 赋值运算符函数(赋值)的参数。如果在转换构造函数前添加explicit关键字,则需要显示使用强制转换符号才能显示进行转换。

    Base::Base(int init) {……}

    有一函数void setOther(Base b),则如果传入参数为setOther(5);实际的调用为

    setOther(Base(5));

    依赖转换构造函数的隐式转换仅限于按值传递参数类型,因为转换构造函数构造一个对象本身,所以对于指针和引用类型的参数不能依赖这个机制;

  • 转换运算符重载函数:不能有在函数头上定义返回值,但是函数体内需要有return返回值,定义:operator const char* () const {return ptr;} 其中的const char*就是最终转到的类型,使用:(char *)typeinst; typeinst 就是定义转换运算符函数的类型,此类函数的功能与static_cast<> ()类似。尽管没有显示声明返回值,但是函数体内也需要使用return语句返回对应函数名的类型;

    operator const char*() const {……return const ptr;}

    operator char*() {……return ptr;}

  • 指针(引用)之间的转换:隐式转换的规则仅适用于数值类型(和有转换构造函数的类型),任何类型的变量都可以接受强制类型转换的初始化或者赋值,但大多数情况下是使用新的类型解释机制去解释原有的内存数据,尽管没有意义,但是编译器却允许这样的显示转换;

  • 当使用基类对象作为右值赋值给作为左值的派生类对象时,即使使用强制转换也是不合法的;仅有定义针对基类对象的赋值运算符重载函数才可以(派生类对象有部分数据需要额外赋值)

    1 class Base {}; class Derived :public Base {}
    2 Derived d; Base b;
    3 d=b;//错误,一定需要赋值运算符重载函数
    4 d=(Derived)b;//错误,一定需要转换操作符重载函数

    解决办法是:
            之一:为Derived添加赋值运算符重载函数
                    void Derived::operator=(const Base &b)
                    void Derived::operator=(const Derived &d)

            之二:为Derived添加转换构造函数
                    Derived::Derived(const Base & b)

            之三:为Base添加转换操作符重载函数
                    Base::Derived() {……return derived;}

 

对象类型之间的转换,无论是基类对象转换成派生类对象,还是派生类对象转换成基类对象,都是生成新对象的过程,需要调用对应的构造函数,并且可能会丢失信 息(派生类转换到基类的时候会出现信息丢失)。而指针或者索引之间的转换则只是访问模式的转换,对于对象本身来讲并没有实质上的变化,因此不同类别之间的 指针和索引可以相互转换,并且转换是可逆的;

 

虚函数机制的使用:

  • 只适用于指针和索引类型

  • 其本身不能是静态函数,不能使用对象变量或者作用域运算符调用

  • 并且一般是基类类型指针(索引)指向派生类类型对象的时候使用

  • 继承模式为public(隐式转换只有在公共派生时才有效)

  • 虚函数不能声明为static,private

  • 派生类中对应的函数需要与基类中的函数的名字,参数列表,返回值都完全相同;

    1 class Base {virtual void func() {……}};
    2 class Derived1 : public Base {void func() {…1…}};
    3 class Derived2 : public Base {void func() {…2…}};
    4 Base* comBase=new Derived1(); comBase->func();//调用1
    5 comBase=new Derived2(); comBase->func();//调用2

    则comBase会根据具体索引不同的派生类类型,调用不同的func()方法

 

四类函数定义:

  • 1类:基类中定义,派生类中没有定义

  • 2类:基类中没有定义,派生类中进行了定义

  • 3类:基类中,派生类中都进行了定义(相同函数名)

  • 4类:虚函数

三类索引情况:(针对四类函数定义中的四项)

  • 基类指针索引基类对象:1

  • 派生类指针索引派生类对象:某些public继承子基类的1,2和3中的派生类定义(静态绑定);

  • 基类指针索引派生类对象:1,3中的基类定义(静态绑定)和4中的派生类定义(动态绑定);

 

对C++类的内存模型的理解:

  • static类函数和static类成员数据是独立于类而言,也就是存储于静态存储区;

  • 非static类函数是针对类而言,也就是所有相同类型的实例都共享同一份非static类函数列表的内存,这份数据在类的第一个实例创建的时候载入内 存,直到最后一个类的实例销毁的时候才销毁,表示一个类的数据;非static类函数以Table的形式出现,每一个slot表示函数的调用地址;如果是 派生类,则Table会以基类的Table作为模板(因此包含private, protected和public的函数指针),然后将派生类的类函数地址存储到新的Table中(顺序查找是否有同名函数,如果有则实现函数覆盖;如果 没有,则加入Table的末尾);由于使用Base::fun2()就可以访问基类的方法,所以可能不是简单的同名覆盖;

  • 非static类成员数据是针对实例而言,也就是相同类型的实例在内存中有一份独立的成员数据拷贝,在非static类函数体内通过*this指针进行成 员数据的访问;如果是派生类,则其内存中会包含所有基类的数据成员(因此包含所有private, protected和public的数据成员);

  • virtual函数是针对实例而言,含有虚函数的类与不含有虚函数的类在内存中同样具有以Table形式存储指向类函数的指针的列表,派生类的类函数地址 同样会存储于Table中(顺序查找是否有同名函数,如果有则实现函数覆盖;如果没有,则加入Table的末尾);不同的是,类实例的内存的起始位置会使 用4bytes(一个指针大小)存储指向这个Table的指针,因此这个Table更名为Virtual Table;并且表明为virtual的函数会使用运行时查找的方式到VTable中查找函数,其他函数仍旧使用静态绑定的方式确定类函数调用地址;

  • 如果是多继承的情况,则按照继承顺序依次存储每一个基类的VT_Ptr和数据,最后才是自身的数据;

     1 class Base {
     2   private:
     3         int data0;
     4   public:
     5         int data1;
     6         static int data2;
     7   public:
     8         void fun1();
     9         void fun2();
    10         void fun3();
    11         virtual void fun4();
    12         virtual void fun5();
    13         virtual void fun6();
    14         static void fun7();
    15 };
    16 
    17 class Derived : public Base{
    18   public :
    19         int data3;
    20         static int data4;
    21   public :
    22         
    23         void fun2();
    24         void fun3(int);
    25 
    26         void fun5();
    27         void fun6(int);
    28         void fun8();
    29         static void fun9();
    30 };
    31 
    32 class solo {
    33   private:
    34         int data0;
    35   public :
    36         int data1;
    37 
    38 };
    39 Base类的类函数Table(由于有虚函数,所有也叫VTable):
    40 
    41 Base::fun1 Base::fun2 Base::fun3 Base::fun4 Base::fun5 Base::fun6
    42 
    43 Derived类的类函数Table(由于有虚函数,所有也叫VTable):
    44 
    45 Base::fun1 Derived::fun2 Derived::fun3 Base::fun4 Derived::fun5 Derived::fun6 Derived::fun8

    static函数存储于程序静态存储区,所以独立于类的类函数Table;

    派生类的Table直接复制自基类的Table,并将自己定义的函数添加到Table的末尾(如fun8),如果有同名函数则直接进行覆盖(这里不管是否参数列表相同,也不管是否为virtual函数,如fun2和fun5,fun3和fun6)

    Base类的类实例内存结构:
    VT_Ptr1 data0 data1

    Derived类的类实例内存结构:

    VT_Ptr2 data0 data1 data3

    static成员数据存储于程序静态存储区,所以独立于类的实例内存;

    派生类的类实例包含所有基类的数据成员;并且不会覆盖重名的成员数据,而只是简单的追加

    VT_Ptr1表示指向Base类在内存中的类函数Table的指针;VT_Ptr2表示指向指向Derived类在内存中的类函数Table的指针;仅仅virtual函数才是动态动态调用,其他函数则是静态绑定

 

虚拟继承和虚基类:用于避免多继承环境中的二义性和内存使用效率

  • 问题:当B和C拥有共同的基类A,同时D同时继承B和C,这样当D调用A中的方法时产生二义性(不知道选择B继承路线还是C继承路线,在D的内存数据中有两份A的类数据),其实问题在于B和C各自拥有一份A基类的内存拷贝,不仅有二义性且内存耗用大
    1 class Top {};
    2 class Left : virtual public Top {};
    3 class Right : virtual public Top {};
    4 class Bottom : public Left, public Right {};
     


    Bottom* b=new Bottom(); b指向Left::Top::a;

    Left* bl=b;bl指向Left::Top::a;但是当Right* br=b;时,br需要指向Right::Top::a才逻辑正确,需要手动进行偏移;

    当Top* bt=b;时,编译不通过,产生歧义。
     

  • 虚继承中,每个类实例中仍旧有4bytes的指针指向虚函数表,并且Derived3的实例中有两个4bytes的VT指针;

    解决:class B: virtual A{}; class C: virtual A{};这样的定义使得内存中A基类仅有一份数据,所以的子类都使用同一份拷贝


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