深度探索C++對象模型（9）

2019-11-17 05:16:19

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供稿：網(wǎng)友

介紹

　　當(dāng)編譯一個C++程序時，計算機的內(nèi)存被分成了4個區(qū)域，一個包括程序的代碼，一個包括所有的全局變量，一個是堆棧，還有一個是堆（heap）,我們稱堆是自由的內(nèi)存區(qū)域，我們可以通過new和delete把對象放在這個區(qū)域。你可以在任何地方分配和釋放自由存儲區(qū)。但是要注重因為分配在堆中的對象沒有作用域的限制，因此一旦new了它，必須delete它，否則程序?qū)⒈罎ⅲ@便是內(nèi)存泄漏。（C#已經(jīng)通過內(nèi)存托管解決了這一令人頭疼的問題）。C++通過new來分配內(nèi)存，new的參數(shù)是一個表達式，該表達式返回需要分配的內(nèi)存字節(jié)數(shù)，這是我以前把握的關(guān)于new的知識，下面看看通過這本書，使我們能夠更進一步的了解到些什么。　　這一章主要是說Runtime Semantics執(zhí)行期語義學(xué)。　　這是我們平時寫的程序片段：
Matrix identity; //一個全局對象
Main()
{
Matrix m1=identity;
……
return 0;
}　　很常見的一個代碼片段，雷神從來沒有考慮過identity如何被構(gòu)造，或者如何被銷毀。因為它肯定在Matrix m1=identity之前就被構(gòu)造出來了，并且在main函數(shù)結(jié)束前被銷毀了。我們不用考慮這些問題，好象C++就應(yīng)該這樣。但這本書是研究C++底層機制的。既然我們在看這本書，說明我們希望了解C++的編譯器又做了那些大量的工作，使得我們可以這樣使用對象。　　在C++程序中所有的全局對象都被放在data segment中，假如明確賦值，則對象以該值為初值，否則所配置到內(nèi)存內(nèi)容為0。也就是說，假如我們有以下定義

　　Int v1=1024;
　　Int v2;

　　則v1和v2都被配置于data segment，v1值為1024，v2值為0。（雷神在VC6環(huán)境用MFC編程時中發(fā)現(xiàn)假如int v2;v2的值不為0，而是-8，不知為什么？編譯器造成的？）。　　假如有一個全局對象，并且這個對象有構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的話，它需要靜態(tài)的初始化操作和內(nèi)存釋放工作，C++是一種跨平臺的編程語言，因此它的編譯器需要一種可以移植的靜態(tài)初始化和內(nèi)存釋放的方法。下面便是它的策略。

　　1、為每一個需要靜態(tài)初始化的檔案產(chǎn)生一個_sit()函數(shù)，內(nèi)帶構(gòu)造函數(shù)或內(nèi)聯(lián)的擴展。
　　2、為每一個需要靜態(tài)的內(nèi)存釋放操作的文件中，產(chǎn)生一個_std()函數(shù)，內(nèi)帶析構(gòu)函數(shù)或內(nèi)聯(lián)的擴展。
　　3、提供一個_main()函數(shù)，用來調(diào)用所有的_sti()函數(shù)，還有一個exit()函數(shù)調(diào)用所有的_std()函數(shù)。

　　侯先生說：

　　Sit可以理解成static initialization的縮寫。
　　Std可以理解成static deallocation的縮寫。

　　那么main函數(shù)會被編譯器變成這樣：
Matrix identity; //一個全局對象
Main()
{
_main();//對所有的全局對象做static initialization動作。
Matrix m1=identity;
……
exit();//對所有的全局對象做static deallocation動作。
}
其中_main()會有一個對identity對象的靜態(tài)初始化的_sti函數(shù)，象下面?zhèn)未a這樣：
// matrix_c是文件名編碼_identity表示靜態(tài)對象，這樣能夠保證向執(zhí)行文件提供唯一的識別符號
_sti__matrix_c_identity()
{
identity.Matrix:: Matrix(); //這就是靜態(tài)初始化
}　　相應(yīng)的在exit()函數(shù)也會有一個_std_matrix_c_identity(),來進行static deallocation動作。
但是被靜態(tài)初始化的對象有一些缺點，在使用異常時，對象不能被放置在try區(qū)段內(nèi)。還有對象的相依順序引出的復(fù)雜度，因此不建議使用需要靜態(tài)初始化的全局對象。　　局部靜態(tài)對象在C++底層機制是如何構(gòu)造和在內(nèi)存中銷毀的呢？

　　1、導(dǎo)入一個臨時對象用來保護局部靜態(tài)對象的初始化操作。
　　2、第一次處理時，臨時對象為false，于是構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用，然后臨時對象被改為true.
　　3、臨時對象的true或者false便成為了判定對象是否被構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)。
　　4、根據(jù)判定的結(jié)果決定對象的析構(gòu)函數(shù)是否執(zhí)行。　　假如一個類定義了構(gòu)造函數(shù)或者析構(gòu)函數(shù)，則當(dāng)你定義了一個對象數(shù)組時，編譯器會通過運行庫將你的定義進行加工，例如:
point knots[10]; //我們的定義
vec_new(&knots,sizeof(point),10,&point::point,0); //編譯器調(diào)用vec_new()操作。　　下面給出vec_new（）原型，不同的編譯器會有差別。
void * vec_new（
void *array, //數(shù)組的起始地址
size_t elem_size, //每個對象的大小
int elem_count, //數(shù)組元素個數(shù)
void(*constrUCtor)(void*),
void(*destructor)(void* ,char)
)
對于明顯獲得初值的元素，vec_new（）不再有必要，例如：
point knots[10]={
Point(), //knots[0]
Point(1.0,1.0,0.5), //knots[1]
-1.0 //knots[2]
};
會被編譯器轉(zhuǎn)換成：
//C++偽碼
Point::Point(&knots[0]);
Point::Point(&knots[1],1.0,1.0,0.5);
Point::Point(&knots[2],-1.0,0.0,0.0);
vec_new(&knots,sizeof(point),10,&point::point,0); //剩下的元素，編譯器調(diào)用vec_new()操作。
　　怎么樣，很神奇吧。　　當(dāng)編譯一個C++程序時，計算機的內(nèi)存被分成了4個區(qū)域，一個包括程序的代碼，一個包括所有的全局變量，一個是堆棧，還有一個是堆（heap）,我們稱堆是自由的內(nèi)存區(qū)域，我們可以通過new和delete把對象放在這個區(qū)域。你可以在任何地方分配和釋放自由存儲區(qū)。但是要注重因為分配在堆中的對象沒有作用域的限制，因此一旦new了它，必須delete它，否則程序?qū)⒈罎ⅲ@便是內(nèi)存泄漏。（C#已經(jīng)通過內(nèi)存托管解決了這一令人頭疼的問題）。C++通過new來分配內(nèi)存，new的參數(shù)是一個表達式，該表達式返回需要分配的內(nèi)存字節(jié)數(shù)，這是我以前把握的關(guān)于new的知識，下面看看通過這本書，使我們能夠更進一步的了解到些什么。

　　Point3d *origin=new Point3d; //我們new 了一個Point3d對象

　　編譯器開始工作，上面的一行代碼被轉(zhuǎn)換成為下面的偽碼：
Point3d * origin;
If(origin=_new(sizeof(Point3d)))
{
try{
origin=Point3d::Point3d(origin);
}
catch(…){
_delete(origin);
throw;
}
}　　而delete origin;

　　會被轉(zhuǎn)換成(雷神將書上的代碼改為exception handling情況)：
if(origin!=0){
try{
Point3d::~Point3d(origin);
_delete(origin);
catch(…){
_delete(origin); //不知對否？
throw;
}
}　　一般來說對于new的操作都直截了當(dāng)，但語言要求每一次對new的調(diào)用都必須傳回一個唯一的指針，解決這個問題的辦法是，傳回一個指針指向一個默認為size=1的內(nèi)存區(qū)塊，實際上是以標(biāo)準(zhǔn)的C的malloc()來完成。同樣delete也是由標(biāo)準(zhǔn)C的free()來完成。原來如此。　　最后這篇筆記再說說臨時對象的問題。

　　T Operator+(const T&,const T&); //假如我們有一個函數(shù)

　　T a,b,c; //以及三個對象：

　　c=a+b;

　　//可能會導(dǎo)致臨時對象產(chǎn)生。用來放置a+b的返回值。然后再由 T的copy constructor把臨時對象當(dāng)作c的初值。也有可能直接由拷貝構(gòu)造將a+b的值放到c中，這時便不需要臨時對象。另外還有一種可能通過操作符的重載定義，經(jīng)named return value優(yōu)化也可以獲得c對象。這三種方法結(jié)果一樣，區(qū)別在于初始化的成本。對臨時對象書上有很好的總結(jié)：

　　在某些環(huán)境下，有PRocessor產(chǎn)生的臨時對象是有必要的，也是比較方便的，這樣的臨時對象由編譯器決定。

　　臨時對象的銷毀應(yīng)該是對完整表達式求值過程的最后一個步驟。

　　因為臨時對象是根據(jù)執(zhí)行期語義有條件的產(chǎn)生，因此它的生命規(guī)則就顯得很復(fù)雜。C++標(biāo)準(zhǔn)要求凡含有表達式執(zhí)行結(jié)果的臨時對象，應(yīng)該保留到對象的初始化操作完成為止。當(dāng)然這樣也會有例外，當(dāng)一個臨時對象被一個引用綁定時，對象將殘留，直到被初始化的引用的生命結(jié)束，或者超出臨時對象的作用域。　　好了今天很有收獲，馬上就會結(jié)束這本書的學(xué)習(xí)了。下一章的標(biāo)題站在對象模型的尖端我有些迫不及待了。

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