深度探索C++对象模型》读书笔记（1）
***C++对象模型***
在C++中，有两种class data members：static和nonstatic，以及三种class member functions：static、nonstatic和virtual。已知下面这个class Point声明：
在Stroustrup当初设计的C++对象模型中，Nonstatic data members被配置于每一个class object之内，static data members则被存放在所有的class object之外。Static和nonstatic function members也被放在所有的class object之外，Virtual functions则以两个步骤支持之：
（1）每一个class产生出一堆指向virtual functions的指针，放在表格之中，这个表格被称为virtual table（vtbl）。
（2）每一个class object被添加了一个指针，指向相关的virtual table。通常这个指针被称为vptr。vptr的设定（setting）和重置（resetting）都由每一个class的constructor、destructor和copy assignment运算符自动完成。每一个class所关联的type_info object（用以支持runtime type identification，RTTI）也经由virtual table被指出来，通常是放在表格的第一个slot处。
***虚拟继承***
继承关系也可以指定为虚拟（virtual，也就是共享的意思）：
在虚拟继承的情况下，base class不管在继承串链中被派生（derived）多少次，永远只会存在一个实体（称为subobject）。例如iostream之中就只有virtual ios base class的一个实体。
***指针的类型***
下面有一个ZooAnimal声明：
一个指向类的指针与一个指向整数的指针或一个指向template Array的指针之间的差异既不在其指针表示法不同，也不在于其内容（代表一个地址）不同，而是在其所寻址出来的object类型不同。也就是说，“指针类型”会教导编译器如何解释某个特定地址中的内存内容及其大小：
1.一个指向地址1000的整数指针，在32位机器上，将涵盖地址空间1000~1003。
2.如果String是传统的8-bytes（包括一个4-bytes的字符指针和一个用来表示字符串长度的整数），再加上指向vtbl的指针vptr，那么一个ZooAnimal指针将横跨地址空间1000~1015（4+8+4）。
假设Bear继承于ZooAnimal，如下所示：
一个Bear指针和一个ZooAnimal指针虽然都指向Bear Object的第一个byte，但pb所涵盖的地址包含整个Bear Object，而pz所涵盖的地址只包括Bear Object中的ZooAnimal subobject。
除了ZooAnimal subobject中出现的members，你不能够使用pz来直接处理Bear的任何members。唯一例外是通过virtual机制。
***切割引起的编译器仲裁***
为什么rotate所调用的是ZooAnimal实体而不是Bear实体？此外，如果初始化函数（应用于上述assignment操作发生时）将一个object内容完整拷贝到另一个object中去，为什么za的vptr不指向Bear的virtual table？
第二个问题的答案是，编译器在（1）初始化及（2）指定（assignment）操作之间做出了仲裁。编译器必须确保如果某个object含有一个或一个以上的vptrs，那些vptrs的内容不会被base class object初始化或改变。
至于第一个问题的答案是：za并不是（而且绝对不会是）一个Bear，它是（并且只能是）一个ZooAnimal。多态所造成的“一个以上的类型”的潜在力量，并不能够实际发挥在“直接存取objects”这件事情上。
***面对对象（OO）和基于对象（OB）***
基于对象的数据类型可以展示封装的非多态形式，但是不支持类型的扩充。一个OB设计可能比一个对等的OO设计速度更快而且空间更紧凑。速度快是因为所有的函数引发操作都在编译时期解析完成，对象建构起来时不需要设置virtual机制；空间紧凑则是因为每一个class object不需要负担传统上为了支持virtual机制而需要的额外符合。不过，OB设计比较没有弹性
***Default Constructor的建构操作***
default constructor仅在编译器需要它时，才会被合成出来。
通常来说，由编译器合成出来的default constructor是没啥用的（trivial），但有以下几种例外：
（1）带有“Default Constructor”的Member Class Object
如果一个class没有任何constructor，但它内含一个member object，而后者有default constructor，那么编译器会在constructor真正需要被调用时未此class合成一个“nontrivial”的default constructor。为了避免合成出多个default constructor，解决方法是把合成的default constructor、copy constructor、destructor、assignment copy operator都以inline方式完成。一个inline函数有静态链接（static linkage），不会被档案以外者看到。如果函数太复杂，不适合做成inline，就会合成出一个explicit non-inline static实体。
根据准则“如果class A内含一个或一个以上的member class objects，那么class A的每一个constructor必须调用每一个member classes的default constructor”，即便对于用户明确定义的default constructor，编译器也会对其进行扩张，在explicit user code之前按“member objects在class中的声明次序”安插各个member所关联的default constructor。
（2）“带有Default Constructor”的Base Class
如果一个没有任何constructors的class派生自一个“带有default constructor”的base class，那么这个derived class的default constructor会被视为nontrivial，并因此需要被合成出来。
需要注意的是，编译器会将这些base class constructor安插在member object之前。
（3）“带有一个Virtual Function”的Class
另有两种情况，也需要合成出default constructor：
（a）class声明（或继承）一个virtual function
（b）class派生自一个继承串链，其中有一个或更多的virtual base classes
以下面这个程序片段为例：
下面两个扩张操作会在编译期间发生：
1.一个virtual function table会被编译器产生出来，内放class的virtual functions地址；
2.在每一个class object中，一个额外的pointer member（也就是vptr）会被编译器合成出来，内含相关的class vtbl的地址。
此外，widge.flip()的虚拟引发操作（virtual invocation）会被重新改写，以使用widge的vptr和vtbl中的flip()条目。
为了让这个机制发挥功效，编译器必须为每一个Widge（或其派生类）之object的vptr设置初值，放置适当的virtual table地址。
（4）“带有一个virtual Base Class”的Class
编译器需要在derived class object中为每一个virtual base classes安插一个指针，使得所有“经由reference或pointer来存取一个virtual base class”的操作可以通过相关指针完成。
小结：在合成的default constructor中，只有base class subobjects和member class objects会被初始化，所有其它的nonstatic data member都不会被初始化。
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***Copy Constructor的建构操作***
有三种情况会以一个object的内容作为另一个class object的初值，即object赋值、object参数传递、object作为函数返回值。
如果class没有提供一个explicit copy constructor，其内部是以所谓的default memberwise initialization手法完成的，也就是把每一个内建的或派生的data member（例如一个指针或一个数组）的值，从某个object拷贝一份到另一个object身上，不过它并不会拷贝其中的member class object，而是以递归的方式施行memberwise initialization。
copy constructor仅在必要的时候（class不展现bitwise copy semantics）才由编译器产生出来。
已知下面的class Word声明：
对于上述这种情况，并不需要合成出一个default copy constructor，因为上述声明展现了“default copy semantics”。
然而，如果class Word是这样声明：
在这种情况下，编译器必须合成出一个copy constructor以便调用member class String object的copy constructor：
一个class不展现出“bitwise copy semantics”的四种情况：
（1）当class内含一个member object而后者的class声明有一个copy constructor时（无论是被明确声明或被合成而得）
（2）当class继承自一个base class而后者存在有一个copy constructor时
对于前两种情况，编译器必须将member或base class的“copy constructor调用操作”安插到被合成的copy constructor中。
（3）当class声明了一个或多个virtual functions时
由于编译器要对每个新产生的class object的vptr设置初值，因此，当编译器导入一个vptr到class之中时，该class就不再展现bitwise semantics了。
当一个base class object以其derived class的object内容做初始化操作时，其vptr复制操作必须保证安全，而如果依旧采用bitwise copy的话，base class object的vptr会被设定指向derived class的virtual table，而这将导致灾难。
（4）当class派生自一个继承串链，其中有一个或多个virtual base classes时
当一个class object以其derived classes的某个object作为初值时，为了完成正确的virtual base class pointer/offset的初值设定，编译器必须合成一个copy constructor，安插一些码以设定virtual base class pointer/offset的初值，对每一个member执行必要的memberwise初始化操作，以及执行其他的内存相关操作。在这种情况下，简单的bitwise copy所做的就远远不够了。
***优化***
（1）在使用者层面做优化
定义一个“计算用”的constructor：
上述constructor要求xx被“memberwise”地拷贝到编译器所产生地_result之中。故可定义如下的constructor，可以直接计算xx的值：
（2）在编译器层面做优化
比较以下三处初始化操作：
其中，xx0是被单一的constructor操作设定初值：
xx0.X::X(1024);
而xx1和xx2则是调用两个constructor,产生一个暂时性的object并设以初值1024，接着将暂时性的object以拷贝建构的方式作为explicit object的初值，最后还针对该暂时性object调用class X的destructor：
由此可以看出，编译器所做的优化可导致机器码产生时有明显的效率提升，缺点则是你不能安全地规划你的copy constructor的副作用，必须视其执行而定。
那么，究竟要不要copy constructor？copy constructor的应用，迫使编译器多多少少对你的程序代码做部分优化。尤其是当一个函数以传值（by value）的方式传回一个class object，而该class有一个copy constructor时，这将导致深奥的程序转化。
举个简单的例子，不管使用memcpy()或memset()，都只有在“classes不含任何由编译器产生的内部members”时才能有效运行。而如下的class由于声明了一个virtual function，编译器为其产生了vptr，此时若使用上述函数将导致vptr的初值被改写。
***成员的初始化队伍***
下列情况中，为了让你的程序能够被顺利编译，你必须使用member initialization list：
（1）当初始化一个reference member时；
（2）当初始化一个const member时；
（3）当调用一个base class的constructor，而它拥有一组参数时；
（4）当调用一个member class的constructor，而它拥有一组参数时。
成员初始化列表有时可带来巨大的性能提升，不妨看看下面一组对比：
若使用成员初始化列表：
需要注意的是，成员初始化列表中的项目是依据class中的member声明次序，一一安插到explicit user code之前的。（因此，对于表达式两边均出现member的情形要特别小心）
下面就给出错误实例：