C++ od kuchni.pdf

Jakub Wach,

Michał Pelczar

C++ od kuchni,

czyli rola kompilatora w modelu obiektu języka C++

1.Wprowadzenie

2.Semantyka konstruktorów

3.Semantyka danych

4.Semantyka funkcji

5.Semantyka konstruowania

6.Semantyka destrukcji

7.Zagadnienia semantyki czasu wykonania

1. Wprowadzenie

Języki umożliwiające programowanie metodą OO posiadają bardzo silnie

rozbudowaną funkcjonalność obiektową. Funkcjonalność ta musi zostać w

odpowiedni sposób zaimplementowana. Programista, operując na wyższym poziomie

abstrakcji z reguły nie jest zainteresowany stroną implementacji, co jest poważnym

błędem. Z reguły bowiem kod, jaki powstaje po kompilacji, przedstawia się zupełnie

inaczej niż kod przez nas zamierzony. Może to prowadzić do pomyłek zwłaszcza,

gdy programujemy wykorzystując bardzo zaawansowane elementy składni – im

większy stopień skomplikowania kodu, tym mniejsza pewność, co tak naprawdę się

w nim dzieje. Dodatkowym problemem jest istnienie różnych standardów i

dialektów języka i szerokiego zakresu kompilatorów, na których konfigurację mamy

bardzo mały wpływ i które niezbyt chętnie informują o koncepcyjnych zmianach

dokonywanych w kodzie.

Zagadnienia omówimy na przykładzie języka C++ który podobnie jak większość

stosowanych obecnie, łączy w sobie paradygmat proceduralny i obiektowy.

Zaprezentowany pseudokod języka C++ opiera się na kompilatorze cfront .

2. Konstruktory

2.1.Konstruktory domyślne

Standardy mówią, że konstruktory domyślne generowane są “tam, gdzie to

potrzebne” i gdzie są one nietrywialne , co obejmuje następujące przypadki:

– składowy obiekt klasy z konstruktorem domyślnym

class Foo (public: Foo(), .... }

class Bar { public: Foo foo; }

... Bar bar; ...

W tej sytuacji, należy stworzyć konstruktor, który wywoła konstruktor Foo:Foo().

Aby jednak synteza nie spowodowała konfliktów w przypadku wspólnej kompilacji

kilku plików tworzących obiekty bar, konstruktor musi zostać zsyntetyzowany jako

funkcja inline:

inline Bar:Bar() {

foo.Foo::Foo(); *

która zawsze jest łączona statycznie.

Co więcej, linijka ta jest dopisywana we wszystkich istniejących konstruktorach.

}

– klasa podstawowa z kontruktorem domyślnym

Sytuacja analogiczna, konstruktor musi zostaje niejawnie wywołany.

– klasa z funkcją wirtualną

Należy zainicjalizować wskaźnik vptr .

– klasa z wirtualną klasą podstawową

Należy zainicjalizować wskaźniki do wirtualnych klas podstawowych, przykładowo

dla klasy wirtualnej X wskaźnik __vbX.

2.2.Kontruktory kopiujące.

Dla przypomnienia, ogólna postać konstruktora kopiującego jest następująca:

Konstruktor kopiujący X::X(const X& x)

Domyślą metodą kopiowania obiektu jest kopiowanie bit po bicie - i wówczas

konstruktor w ogóle nie musi istnieć.

Jest on natomiast syntetyzowany, jeśli klasa nie ujawnia semantyki kopiowania bit

po bicie:

class Square { char *str; int cnt; }

class Square { String str; int cnt; }

inline Square:Square( const Square* wd) {

str.String::String(wd.str);

cnt = wd.cnt;

Ponieważ, jak widać, niektóre atrybuty muszą zostać zainicjalizowane w szczególny

sposób.

2.3.Optymalizacja NRV

Podstawowa metoda używana przy zwracaniu obiektów jako rezultaty wykonania

funkcji. W miejscu wywołania metody tworzony jest obiekt. Referencja do tego

obiektu jest potajemnie przesyłana do wnętrza funkcji, która pracuje na orginale.

Żadne kopiowanie obiektu nie jest więc potrzebne. Schematycznie jest to

przedstawione poniżej:

}

X bar() {

X xx;

// operacje na xx

return xx;

void bar(X& __result) {

__result.X::X();

// operacje na __result

return;

Zasadniczą wadą tej optymalizacji jest to, że wykonuje się ona milcząco nie mamy

jasności, czy została wykonana. Ponadto, dla skomplikowanych funkcji jest ona

trudna do realizacji.

3. Semantyka danych

3.1.Rozmiar obiektu

Rozważmy następującą hierachę klas:

class X {};

class Y : public virtual X {};

class Z : public virtual X {};

class A : public Y, public Z {};

Występuje tutaj jak widać dziedziczenie wielokrotne.

Wielkości klas mogą, w zależności od kompilatora, być na przykład następujące:

sizeof(X) 1B

sizeof(Y) 8B

sizeof(Z) 8B

sizeof(A) 12B

Klasa pusta nie ma zerowego rozmiaru.

Kompilator wstawia składową typu char, co pozwala przydzielać obiektom

różne adresy w pamięci.

Ponadto, narzut na rozmiar pozostałych klas jest wypadkową czynników:

– wsparcie językowe

Wskaźnik do podobiektu wirtualnej klasy podstawowej albo tablicy

zawierającej jego adres lub przesunięcie.

}

– rozmieszczenie w pamięci

Wyrównanie do pełnej liczby bajtów, co umożliwia efektywniejsze

ładowanie i zapisywanie.

– optymalizacja rozpoznanych przez kompilator przypadków szczególnych

W praktyce, pusta wirtualna klasa podstawowa jest używana w C++ jako wirtualny

interfejs.

Nowe kompilatory traktują taką klasę, jakby nakładała się na początek obiektu klasy

pochodnej. Nie zajmuje ona żadnej dodatkowej pamięci. Jest to przykład

ewolucyjnego charakteru modelu obiektu C++. Model dotyczy przypadku ogólnego.

W miarę, jak wykrywane są pewne przypadki szczególne, wprowadza się heurystyki

umożliwiające ich optymalizację

3.2.Organizacja danych w pamięci, konsekwencje na przykładzie procedury

przypisania

Dziedziczenie bez polimorfizmu

Obiekt klasy pochodnej jest w istocie konkatenacją jej składowych ze składowymi

klas podstawowych (standard nie określa kolejności części klasy pochodnej i

podstawowej).

Dane znajdują się w jednym miejscu, ale korzystać z nich i operować na nich mogą

dwie lub więcej powiązanych ze sobą abstrakcji. Dlatego też dziedziczenie nie

dokłada do reprezentacji żadnego narzutu na pamięć oraz czas dostępu .

Dziedziczenie z polimorfizmem

Aspekty implementacji dziedziczenia z polimorfizmem są następujące:

– Wprowadzenie tablicy wirtualnej zawierającej adresy wszystkich funkcji

wirtualnych zadeklarowanych w klasie. Jej rozmiar jest proporcjonalny do liczby

zadeklarowanych funkcji oraz miejsca do rozpoznawania typów w czasie

wykonania.

– Wprowadzenie do każdego obiektu wskaźnika vptr . Pozwala on efektywnie

sięgać do tablicy wirtualnej.

– Rozszerzenie konstruktora o inicjowanie wskaźnika vptr obiektu adresem tablicy

wirtualnej jego klasy. Możliwe są tutaj optymalizacje.

– Rozszerzenie destruktora polegające na zmianie wskaźnika vptr na adres

związanej z klasą tablicy wirtualnej. Optymalizacja może wyeliminować część z

tych przypisań.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: