C++程序设计兼谈对象模型（侯捷)

这是C++面向对象程序设计的续集笔记，仅供个人学习使用。如有侵权，请联系删除。

主要内容：涉及到模板中的类模板、函数模板、成员模板以及模板模板参数，后面包含对象模型中虚函数调用（动态绑定）的具体原理。

参考链接：

Youtube: C++面向对象高级开发（下）

Github：源码和PPT

2 conversion function 转换函数

conversion function 转换函数

把这种东西转变为别的类型：把Fraction转变为double

class Fraction
{
public:Fraction(int num, int den=1): m_numerator(num), m_denominator(den) {}operator double() const{ // 转换函数，没有return type返回类型, 没有参数return (double) (m_numerator / m_denominator);}private:int m_numerator; // 分子int m_denominator; // 分母
}// 使用
Fraction f(3, 5);
double d = 4 + f;  // 调用operator double() 将f转换为0.6

3 non-explicit-one-argument constructor

one argument: 只要1个实参就够了， 注意和parameter的区别，下面的Fraction构造函数有两个parameter，但是只有一个argument。

non explicit one argument constructor的作用：可以把别的东西转变为这种类型

class Fraction
{
public:Fraction(int num, int den=1): m_numerator(num), m_denominator(den) {}Fraction operator+(const Fraction& f) {return Fraction(......); }private:int m_numerator; // 分子int m_denominator; // 分母
}// 使用
Fraction f(3, 5);
double d2 = f + 4;  // 调用non-explicit constructor 将4转为 Fraction(4, 1), 然后调用operator+

如果 double转换和重载+操作符并存，编译器就会产生歧义，会报错

class Fraction
{
public:Fraction(int num, int den=1): m_numerator(num), m_denominator(den) {}operator double() const { // 转换函数return (double) (m_numerator / m_denominator);}Fraction operator+(const Fraction& f) {return Fraction(......); }private:int m_numerator; // 分子int m_denominator; // 分母
}// 使用
Fraction f(3, 5);
Fraction d2 = f + 4;  // 【Error】ambiguous

explicit-one-argument constructor

explicit关键字的作用是防止类构造函数的隐式自动转换.

class Fraction
{
public:explicit Fraction(int num, int den=1): m_numerator(num), m_denominator(den) {}operator double() const { // 转换函数return (double) (m_numerator / m_denominator);}Fraction operator+(const Fraction& f) {return Fraction(......); }private:int m_numerator; // 分子int m_denominator; // 分母
}// 使用
Fraction f(3, 5);
Fraction d2 = f + 4;  // 【Error】conversion from "double" to "Fraction" requested.

转换函数在标准库中的例子

template<class Alloc>
class vector<bool, Alloc>
{
public:typedef __bit_reference reference;
protected:reference operator[](size_type n) {return *(begin() + difference_type(n));}...
}struct __bit_reference {unsigned int* p;unsigned int mask;...
public:operator bool() const {return !(!(*p & mask));}
...
}

如下图所示：一个vector里面保存的都是bool值，然后返回的是reference类型，这里就要有bool的转换函数。另外下图中还涉及到一种设计模式:proxy，具体关于proxy的知识不展开。

4 pointer-like classes

pointer like classes 关于智能指针

为什么要把一个类设计出来像一个指针呢？比指针做的事情更多一点

template<class T>
class shared_ptr
{
public:T& operator*() const //*号操作符重载{ return *px;} // 传指针指向的内容T* operator->() const // -> 操作符重载{ return px;}shared_ptr(T* p): px(p) {}
private:T* px;long* pn;
};struct Foo
{...void method(void) {......}
}// 使用
shared_ptr<Foo> sp(new Foo); // 传一个指针进来Foo f(*sp); // 使用*这个操作符
sp->method(); // 使用->这个操作符

pointer like classes，关于迭代器

迭代器也像指针，指向一个元素

template<class T>
struct __list_node {void* prev;void* next;T data;
};template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;typedef Ptr pointer;typedef Ref reference;typedef __list_node<T>* link_type;link_type node;bool operator==(const self& x) const {return node == x.node;}bool operator!=(const self& x) const {return node != x.node;}reference operator*() const {return (*node).data;}pointer operator->() const {return &(operator*());}self& operator++() { node = (link_type)((*node).next); return *this;}self operator++(int) { self tmp = *this; ++*this; return tmp;}self& operator--() { node = (link_type)((*node).prev); return *this;}self operator--(int) { self tmp = *this; --*this; return tmp;}
}

T&
operator*() const {return (*node).data;} // 对迭代器解参考，就是拿链表节点中的dataT* 
operator->() const {return &(operator*());} // 获得上面operator*操作的地址

5 function-like classes

function like classes，所谓仿函数

重载()符号的用意，就是让这个类创建出来的对象是函数对象。

template<class T1, class T2>
struct pair {T1 first;T2 second;pair(): first(T1()), second(T2()) {}pair(const T1& a, const T2& b): first(a), second(b) {}
};template<class T>
struct identity {const T&operator()(const T& x) const {return x;}
};template <class Pair>
struct select1st {const typename Pair::first_type&operator()(const Pair& x) const{ return x.first;}
};template <class Pair>
struct select2nd {const typename Pair::second_type&operator()(const Pair& x) const{ return x.second;}
};

标准库中的仿函数的奇特模样:继承自unary_function

template<class T>
struct identity: public unary_function<T, T> {const T&operator()(const T& x) const {return x;}
};template <class Pair>
struct select1st: public unary_function<Pair, typename Pair::first_type> {const typename Pair::first_type&operator()(const Pair& x) const{ return x.first;}
};template <class Pair>
struct select2nd: public unary_function<Pair, typename Pair::second_type>  {const typename Pair::second_type&operator()(const Pair& x) const{ return x.second;}
};

还有继承自binary_function的仿函数

标准库中，仿函数所使用的奇特的base classes

6 namespace经验谈

命名空间起到隔离的作用，不同的命名空间里面可以有相同的函数名、变量名等，但是它们属于不同的范围。

7 class template 类模板

class template，类模板

在设计一个类的时候，允许某个变量或者参数的类型由使用者任意指定，那么就可以把这个类称为模板类，或者叫类模板。

8 function template 函数模板

function template，函数模板

在使用时，不用指明参数的type，编译器会进行实参推导

9 member template 成员模板

member template 成员模板

在标准库中的构造函数中会出现大量的member template，为的是让构造函数更有弹性一些，比如用派生类来初始化基类。

template<class T1, class T2>
struct pair{typedef T1 first_type;typedef T2 second_type;T1 first;T2 second;pair(): first(T1()), second(T2()) {}pair(const T1& a, const T2& b): first(a), second(b) {}#ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES	template<class U1, class U2>  // 成员模板pair(const pair<U1, U2>& p): first(p.first), second(p.second) {}#endif
};

下面以鲫鱼继承鱼类，麻雀继承鸟类来展示成员函数。

把一个鲫鱼和麻雀构成的pair，放进一个鱼类和鸟类构成的pair，这个是可以的。

class Base1 {};
class Derived1: public Base1 {};class Base2 {};
class Derived2: public Base2 {};pair<Derived1, Derived2> p;
pair<Base1, Base2> p2(p);pair<Base1, Base2> p2(pair<Derived1, Derived2>()); //把一个派生类1和派生类2构成的pair，放进一个基类1和基类2构成的pair，反过来不可以

template<typename _Tp>
class shared_ptr: public __shared_ptr<_Tp>
{template<typename _Tp1>explicit shared_ptr(_Tp1* __p): __shared_ptr<_Tp>(__P) {}
};Base* ptr = new Derived1;  // up-cast 向上转型是可以的shared_ptr<Base1> sptr(new Derived1);

智能指针模拟向上转型：可以用派生类来初始化基类

10 specialization 模板特化

specialization 模板特化：限定模板实现的具体类型，比如下面指定hash的类型为char，int和long。

template<class Key>
struct hash {};// 特化
template<>
struct hash<char> {size_t operator()(char x) const {return x;}
};template<>
struct hash<int> {size_t operator()(int x) const {return x;}
};template<>
struct hash<long> {size_t operator()(long x) const {return x;}
};

使用过程如下：

cout << hash<long>()(1000);

11 模板偏特化

模板偏特化——个数的偏

模板中可以指定某些参数为特定类型。

模板偏特化——范围的偏

从指向任意类型T，变成指向任意类型的指针*T，范围变小了。

12 模板模板参数

template template parameter,模板模板参数

可以让模板参数它本身是个类模板。下图中第二个参数为模板模板参数Container，它接收第一个模板参数来实例化自己，比如接收下面T类型。

template<typename T, template<typename T> class Conatainer>
class XCls
{
private:Container<T> c;
public:...
}

13 关于C++标准库

Containers、Iterators、Algorithms、Functors的等使用，有另外一门课进行剖析。

14 三个主题 variadic templates等

variadic templates 可变参数模板

使用3个点…来表示

template<typename T, typename... Types>void print()
{}
void print(const T& firstArg, const Types&... args)
{cout << firstArg << endl;print(args...);
}

auto 用法:自动推导变量类型

之前的用法

list<string> c;
list<string>::iterator ite;
ite = find(c.begin(), c.end(), target);

C++11的用法

list<string> c;
auto ite = find(c.begin(), c.end(), target);

ranged-base for

能传引用就传引用，速度快。

vector<double> vec;for(auto elem: vec) {cout << elem << endl;
}for (auto& elem: vec) { // 改变原来的数据，要传引用&elem *= 3;
}

15 reference

int x = 0;

pointer to interger: int *p = &x;

reference to interger: int& r = x; r不是指针，r代表x, x的地址在哪，r的地址就在哪。 但是底层实现的时候使用指针实现的。

如果 int x2 = 5; r = x2;由于r已经代表了x，它不能重新代表其他的东西，经过r = x2;之后，r和x都变成了5.

reference引用的常见用途

16 复合&继承关系下的构造和析构

单独的继承关系、符合关系的继承与析构请参加我的笔记C++面向对象高级编程（侯捷）笔记2中关于11 组合与继承的部分。

这里记录继承+组合关系下的构造和析构

构造由内而外

Derived的构造函数首先调用Base的默认构造函数，然后调用Component的默认构造函数，然后执行自己。

析构由外而内

Derived的析构函数首先执行自己，然后调用Component的析构函数，然后调用Base的析构函数。

17 （对象模型）关于vptr和vtbl，虚指针和虚表

下面开始谈Object Model的内容。

虚指针vptr和虚表vtbl

virtual function虚函数有两个步骤来支持：

1. 每一个class产生出一堆指向virtual functions的指针，放在virtual table（vtbl）中。
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的设置和重置都由每个class的构造函数、析构函数和拷贝赋值运算符自动完成。

参考：深度探索C++对象模型

继承中，子类的对象里面有父类的成分

调用虚函数的过程，通过vptr得到vtbl，然后查找表中的第n个函数

(*(p->vptr[n]))(p); 或
(*p->vptr[n])(p);

18 （对象模型）关于this

对象模型object model：关于this

动态绑定的三个条件：

1. 通过指针调用
2. 指针有向上转型的动作
3. 调用虚函数

编译器对动态绑定动作：

把

this->Serialize();

编译成下面这种形式:虚指针指向虚表，调用特定的虚函数

(*(this->vptr)[n])(this);

19 （对象模型）关于Dynamic Binding

对象模型：关于Dynamic Binding

静态绑定：直接调用汇编的call指令，跳转到函数地址。

B b;
A a = (A)b;
a.vfunc1(); // 静态绑定，直接call vfunc的地址

动态绑定：虚指针查虚表得到虚函数的地址，进行调用。

A* pa = new B;  // 向上转型
pa->vfunc1();

后记

从2024年1月1日开始，截至2024年1月4日，共花费4天，学习完C++面向对象高级编程（上）和C++面向对象高级编程（下），其中后者的标题为C++程序设计兼谈对象模型。