C++面向對象編程（下）-創新互聯

文章目錄

- C++面向對象編程（下）
- - 11. vtpr（virtual pointer）和vtbl（virtual table）
  - - 1. 前提須知
    - 2. 靜態綁定和動態綁定
    - 3. vtpr和vtbl
    - 4. 多態
    - 5. 圖示一
    - 6. 圖示二
    - 7. template method補充
  - 12. const member functions（常量成員函數）
  - - 1. 形式（const加的位置）：
    - 2. member functions 與 object 的規則
    - 3. const member functions 和 non-const member functions 的特殊規則
  - 13. 重載operator new、delete、 new[]、delete[]
  - - 1. 知識回顧
    - 2. 重載 ::operator new、new[] 和 ::operator delete、delete[]
    - 3. 重載 member operator new 和 member operator delete
    - 4. 重載 member operator new[] 和 member operator delete[]
    - 5. operator new、delete、 new[]、delete[] 使用示范
    - - 1. member operator new、delete、 new[]、delete[]重載寫法
      - 2. member operator new、delete、 new[]、delete[]調用過程
      - 3. 顯式調用global operator new、delete、 new[]、delete[]過程
  - 14. 重載member operator new(...) 、 delete(...)
  - - 1. new(...) 、delete(...)和new、delete的區別
    - 2. member operator new(...)
    - 3. member operator delete(...)
    - 4. member operator new(...)、delete(...)重載書寫和使用
    - 5. 標準庫string重載placement new

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實例對象在內存的表現：
- 函數在內存中的位置，與實例對象占用的內存沒有關系；
- 對于一個類的多個對象，函數在內存中也只會有一份；
- 實例對象占用的內存，只會包含對象的數據；如果有虛函數，還會包含一個虛指針；【無論有多少個虛函數，都只會多占用一個指針的空間；】
繼承：
- 對于父類中的函數，子類只是繼承了函數的調用權，不會為子類在內存中另外生成一份函數【因為函數始終只在內存占一份】；
- 如果父類有虛函數，那么子類也一定有虛函數（繼承）；
- 雖然父類和子類中的非虛函數和數據，命名可以重復（因為二者沒有什么關系），但這樣的命名風格不好。

2. 靜態綁定和動態綁定

類型：
- 靜態類型：對象在聲明時采用的類型，在編譯期既已確定；
- 動態類型：通常是指一個指針或引用目前所指對象的類型，是在運行期決定的；
綁定(Binding)：是指將變量和函數名轉換為地址的過程。
- 靜態綁定：綁定的是靜態類型，所對應的函數或屬性依賴于對象的靜態類型，發生在編譯期；
  - 意味著綁定的函數或者變量，已經在編譯階段，該語句已經被編譯成“call 函數地址”或"callq 函數地址"這樣的匯編指令格式，并且這些匯編指令中的函數地址在程序編譯后是固定不變的，請記住，所有函數都有唯一的地址。
- 動態綁定：綁定的是動態類型，所對應的函數或屬性依賴于對象的動態類型，發生在運行期；
只有虛函數才使用的是動態綁定（實現多態），其他的全部是靜態綁定；
編譯器使用動態綁定的三個條件：
- 通過指針 / 引用調用函數；
- 指針是向上轉型后的指針（this指的是子類對象，符合向上轉型）；【即父類指針指向子類對象】
- 指針調用的是虛函數。
- 簡單一句話：使用基類的引用（指針）調用虛函數

3. vtpr和vtbl

vtpr（虛指針）：
- 對于有virtual函數的類，它的實例化對象在內存空間中除了包含數據的大小，還會多出一個指針（4個字節）的大小，同時會放在內存中最開始的位置，這個指針就是vptr（虛指針），它指向了vtbl（虛函數表），即 vptr內容 vtbl的地址。
vtbl（虛函數表）：
- vtbl 內容：保存了一個類持有的虛函數的地址；
- 建兩個A對象，發現他們的虛函數指針相同，這說明他們的虛函數表屬于類，不屬于對象。所以虛函數表應該存在共有區；
- 位置：虛函數表放在了全局數據段。
查找過程：
- 在編譯時，編譯器會為【整個繼承關系中的每個虛函數】進行順序編號，按照這個編號順序，在vtbl中放置虛函數地址；
- 調用一個實例化對象的虛函數過程：
  - 先找到vtptr（在實例化對象所在內存的開頭位置）；
  - 通過vtptr內容，找到vtbl；
  - 從vtbl找到對應虛函數的地址，把它當成函數指針去調用；
  - 函數指針調用的方式：后面的§，是傳遞隱藏參數this pointer；

4. 多態

多態和動態綁定是一回事（涉及虛函數、虛函數指針、虛函數表）

5. 圖示一

圖中有A、B、C三個對象：
- 對象關系：
  - B是A的子類，C是B的子類；
- 對象內容：
  - A對象：2個虛函數，2個非虛函數，2個int數據；
  - B對象：
    - 自身的內容：1個非虛函數，1個int；
    - 繼承的內容：繼承了A的2個虛函數，但自己重新定義了其中一個；繼承了A的2個非虛函數；繼承了A的兩個int數據；
    - 總內容：2個虛函數（其中一個自定義），3個非虛函數，3個int數據；
  - C對象：
    - 自身的內容：1個非虛函數，2個int；
    - 繼承的內容：繼承了B的2個虛函數，但自己重新定義了其中一個；繼承了B的3個非虛函數；繼承了B的3個int數據；
    - 總內容：：2個虛函數（其中一個自定義），4個非虛函數，5個int數據；
- 三個類的函數個數：
  - 4個非虛函數；
  - 4個虛函數；

6. 圖示二

A為shape抽象類；
B、C為具體的形狀類；
A有draw虛函數，B、C自定義了draw函數（相當于上一頁的vfunc1()）；
右下角的容器：
- 使用父類指針指向子類的方式（多態），使容器可以包含多種類型；

7. template method補充

也可以使用基類指針指向派生類對象 CDocument* cdoc = new CMyDoc()，來調用OnFileOpen()函數；
執行Serialize()函數，滿足動態綁定三個條件，編譯器會把Serialize()寫出函數指針調用的形式（圖左邊）；
在動態綁定三個條件中的第二個，不太好理解：
- 指針是向上轉型后的指針（this指的是子類對象，符合向上轉型）；
- 【簡單理解為只要this指的是子類對象，就滿足這個條件。】
- 可能右下角調用OnFileOpen()中的this指針類型是父類指針類型。（這樣就有父類指針指向子類對象）

12. const member functions（常量成員函數） 1. 形式（const加的位置）：

class Complex{
public:
    // const member function（常量成員函數）
	double real () const { return resl; }
	double imag () const { return im; }
private:
	double re, im;
};

常量成員函數顧名思義：
- 只能定義在成員函數身上，全局函數不行；

2. member functions 與 object 的規則

const object （要求 data members 不能改動）；
non-const object （data members 可改動）；
const member functions（保證這個成員函數不更改 data members）；
non-const member functions（不保證這個成員函數不更改 data members）；

3. const member functions 和 non-const member functions 的特殊規則

一個 member function 如果同時存在 const 和 non-const 版本：
- 明確了調用函數的對象是 const object，還是 non-const object；
- 主要是明確了調用 const member functions 的對象（因為一般情況下，non-const object也可以調用const member functions，上面表的第一行）
標準庫（string）的成員函數示范：
- operator[] 函數同時存在 const 和 non-const 版本；
- 常量成員函數的const是函數簽名的一部分，所以可以進行函數重載；
- 根據特殊規則：
  - 調用 const member functions 的對象，一定是const object；
  - 調用 non-const member functions 的對象，一定是non-const object；

13. 重載operator new、delete、 new[]、delete[] 1. 知識回顧

new過程（分三步）：
- 先使用operator new分配空間，底層使用malloc函數；
- 進行指針類型轉換；
- 再調用構造函數：對于帶有指針的類，通過構造函數，分配指針指向的數據；
delete過程（分兩步）：
- 先調用析構函數：對于帶有指針的類，通過析構函數，釋放指針指向的數據；
- 再使用operator delete釋放分配的空間，底層使用free函數。
在new和delete的過程中，new和delete本身是不能重載的，但new和delete中operator new和operator delete操作是可以重載的：
- operator new和operator delete的調用順序：
  - 先找類中的重載版本；
  - 再找全局版本。

2. 重載 ::operator new、new[] 和 ::operator delete、delete[]

一般不重載全局operator new、delete、new[]、delete[]；

3. 重載 member operator new 和 member operator delete

圖中的member operator delete中的optional參數表示該參數可選；
該類進行new和delete中，優先找member operator new 和 member operator delete；

4. 重載 member operator new[] 和 member operator delete[]

圖中的optional指該參數可選；
該類進行new[] 和delete[]中，優先找member operator new[] 和 member operator delete[]；

5. operator new、delete、 new[]、delete[] 使用示范 1. member operator new、delete、 new[]、delete[]重載寫法

（僅僅增加打印信息）
重載函數：
- operator new；
- operator delete；
- operator new[]；
- operator delete[]；

global 與member operator new、delete、 new[]、delete[]相關函數的調用順序：

// 優先調用member version，如果沒有member version，就調用global version；
Foo* pf = new Foo;
delete pf;

// 強制調用global version；
Foo* pf = ::new Foo;
::delete pf;

在這里插入圖片描述

2. member operator new、delete、 new[]、delete[]調用過程

不帶有虛函數的類：
- 由上一頁可知，sizeof(Foo) = 12【int：4個字節，long：4個字節，string：4個字節（指針）】；
- 調用 operator new 和 delete：
  - ```
  // 調用 operator new 和 delete
  Foo* p = new Foo(7);	// 這個參數是構造函數的參數
  delete p;
```
- 分配一個對象的大小空間（這個例子 == 12）；
- 注意點：
  - operator new的第一個參數是編譯器自動傳遞的；
  - 下圖左邊①中后面的Foo(7)是Foo的構造函數，不要和new的參數混淆了；
- 調用 operator new[] 和 delete[]：
  - ```
  // 調用 operator new[] 和 delete[]
  Foo* pArray = new Foo[5];
  delete pArray[];
```
- 分配5個對象的大小空間 == 12*5 + 4 == 64；【調用operator new[] 時，會有一個額外整型用于記錄數組的大小，整型4個字節，面向對象part one中有講過】
- new[] 和 delete[] 調用構造函數和析構函數的順序相反【看this指針順序】
帶有虛函數的類：
- 唯一不同在于，帶有虛函數的類，會多一個虛函數指針的大小；
- sizeof(Foo) = 16；
- 分配5個的大小 == 16*5 + 4 = 84；

3. 顯式調用global operator new、delete、 new[]、delete[]過程

強迫使用global version，沒有member version的打印信息；

14. 重載member operator new(…) 、 delete(…) 1. new(…) 、delete(…)和new、delete的區別

括號的意義：operator new() 、delete() 額外設置了參數；
placement術語介紹：
- member operator new() == placement new；
- member operator delete() == placement delete；

2. member operator new(…)

member operator new() 可以有多個參數，但第一個參數類型一定是size_t（unsigned int），并且這個參數是由編譯器傳遞；
不同版本的 member operator new() 必須有不同的參數列（才能進行函數重載，函數簽名不同）：
- 即第一個參數之后的參數，個數、類型要有區別；

member operator new() 調用方式：

調用時，需要手動傳遞的參數是第一個參數以后的參數；
下面的 member operator new() 說明，定義時有三個參數；

// 調用 operator new() 和 delete
// new(300, 'c')：說明這個operator new()有三個參數，第一個參數不需要手動傳遞。
Foo* p = new(300, 'c') Foo(7);	// 注意傳遞new的參數，以及構造參數的位置
delete p;

3. member operator delete(…)

member operator delete() 也可以重載，也可以不重載；
這一步不是必須的，因為不會被delete調用【正常 delete 調用 void operator delete(void*, size_t) 版本】；
member operator delete() 調用：
- 無論new調用的是哪種版本，只有一般版本的delete會被調用；
member operator delete() 作用：
- new操作分為三步：
  - operator new；
  - 轉型；
  - 構造函數；
- 只有當 new 中第三步，調用的構造函數拋出異常，才會調用這些 member operator new() 版本對應的 operator delete() ，釋放之前 member operator new() 分配的空間；
- 它只可能這樣被調用，主要用來歸還未能完全創建成功的對象所占用的內存空間。

4. member operator new(…)、delete(…)重載書寫和使用

member operator new()：
- (1) ~ (4) 不同版本的 placement new；
- (5)：故意寫錯第一參數的 placement new 不合法版本；編譯器會報錯，要求第一個參數類型是 size_t；
member operator delete()：
- (1) ~ (4) 的 placement delete 對應上一頁不同版本的 placement new；
- 【上一頁在構造函數中故意拋出異常；】
- 右邊⑤：構造函數失敗（拋出異常），是否會調用對應的 placement delete，取決于編譯器；
- 最下面的方框：
  - 沒有定義對應 operator new(…) 版本的 operator delete(…)，也不會報錯；
  - 這意味著放棄構造函數拋出的異常。