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4 Function语意学( The Semantics of Function )

假如有一个Point3d的指针和对象：

cpp 复制代码

Point3d obj;
Point3d* ptr = &obj;

这样做

cpp 复制代码

obj.normalize();
ptr->normalize();

时，会发生什么事？其中的Point3d::normalize()定义如下：

cpp 复制代码

Point3d
Point3d::normalize() const
{
    // magnitude是一个函数，magnitude (Read Only)返回向量的长度，
    // 也就是点P(x,y,z)到原点(0,0,0)的距离
    register float mag = magnitude();
    Point3d normal;

    normal._x = _x / mag;
    normal._y = _y / mag;
    normal._z = _z / mag;
    return normal;
}

其中Point3d::magnitude ()又定义如下：

cpp 复制代码

float Point3d::magnitude() const
{
    return sqrt(_x * _x + _y * _y + _z * _z);
}

答案是:不知道!C++支持三种类型的 member functions**: static、nonstatic和virtual**，每一种类型被调用的方式都不相同。其间差异正是下一节的主题。不过，我们虽然不能够确定normalize()和magnitude()两函数是否为virtual或nonvirtual,但可以确定它一定不是 static,原因有二:(1)它直接存取nonstatic数据;(2)它被声明为const。是的，static mermber functions不可能做到这两点。

4.1 Member 的各种调用方式

virtual函数是20世纪80年代中期被加进来的；

Static member functions是最后被引人的一种函数类型。它们在1987年的Usenix C++研讨会的厂商研习营（Implementor's Workshop）中被正式提议加人C++中，并由 cfront 2.0实现出来.

Nonstatic Member Functions(非静态成员函数)

C++的设计准则之一就是:nonstatic member function 至少必须和一般的nonmember function 有相同的效率。也就是说，如果我们要在以下两个函数之间作选择:

cpp 复制代码

float magnitude3d(const Point3d* _this) {  }
float Point3d::magnitude3d() const {  }

那么选择member function不应该带来什么额外负担。这是因为编译器内部已将"member函数实体"转换为对等的"nonmember函数实体"。

举例：

cpp 复制代码

float magnitude3d(const Point3d* _this) {
    return sqrt(_this->_x * _this->_x +
                _this->_y * _this->_y +
                _this->_z * _this->_z);
}

乍见之下似乎nonmember function比较没有效率，它间接地经由参数取用坐标成员，而member function 却是直接取用坐标成员.**然而实际上 member function被内化为nonmember的形式。**下面就是转化步骤:

1 改写函数的signature以安插一个额外的参数到member function中，用以提供一个存取管道，是class object得以调用该函数，该额外参数被称为this指针：

cpp 复制代码

// non-const nonstatic member之增长过程
Point3d
Point3d::magnitude(Point3d* const this)

如果member function是const，则变成:

cpp 复制代码

// const nonstatic member之扩张过程
Point3d
Point3d::magnitude(const Point3d* const this)

就是加形参：

（1）如果是普通（非静态、非const）成员函数，加Point3d* const this这个参数

（2）如果是const成员函数，加const Point3d* const this这个参数

2 将每一个"对nonstatic data member的存取操作"改为经由this指针来存取:

cpp 复制代码

{
    return sqrt(_this->_x * _this->_x +
                _this->_y * _this->_y +
                _this->_z * _this->_z);
}

3．将member function重新写成一个外部函数．对函数名称进行"mangling"处理，使它在程序中成为独一无二的语汇:

Name Mangling 是一种在编译过程中，将函数、变量的名称重新改编的机制

cpp 复制代码

extern magnitude__7Point3dFv(
    register Point3d *const this);

现在这个函数已经被转换好了，而其每一个调用操作也都必须转换。于是:

cpp 复制代码

obj.magnitude();

变成了

cpp 复制代码

magnitude__7Point3dFv(&obj);

而

cpp 复制代码

ptr->magnitude();

变成了

cpp 复制代码

magnitude__7Point3dFv(ptr);

本章一开始所提及的normalize()函数会被转化为下面的形式,其中假设已经声明有一个Point3d copy constructor，而named returned value (NRV)的优化也已施行:

cpp 复制代码

// C++伪码
void
normalize__7Point3dFv(register const Point3d* const this,
                        Point3d& _result) 
{
    // magnitude是一个函数，magnitude (Read Only)返回向量的长度，
    // 也就是点P(x,y,z)到原点(0,0,0)的距离
    register float mag = this->magnitude();
    _result.Point3d Point3d();

    _result._x = this->_x / mag;
    _result._y = this->_y / mag;
    _result._z = this->_z / mag;
    return ;
}

一个比较有效率的做法是直接建构"normal"值，像这样:

cpp 复制代码

Point3d
Point3d::normalize() const
{
    register float mag = magnitude();
    return Point3d(_x / mag, _y / mag, _z / mag);
}

它会被转化为以下的码（我再一次假设Point3d的copy constructor已经声明好了，而NRV的优化也已实施）:

cpp 复制代码

// C++伪码
void
normalize__7Point3dFv (register const Point3d* const this,
                        Point3d& _result)
{
    register float mag = this->magnitude();
    // _result用以取代返回值
    _result.Point3d::Point3d(this->_x / mag, this->_y / mag, this->_z / mag);
    return;
}

这可以节省default constructor初始化所引起的额外负担。

名称的特殊处理( Name Mangling )

由于member functions可以被重载化（ overloaded)，所以需要更广泛的mangling手法，以提供绝对独一无二的名称。

为了让它们独一无二，唯有再加上它们的参数链表（可以从函数原型中参考得到)。如果把参数类型也编码进去，就一定可以制造出独一无二的结果，使我们的两个x()函数有良好的转换。

Virtual Member Functions(虚拟成员函数)

如果normalize()是一个virtualmember function，那么以下的调用：

cpp 复制代码

ptr->normalize();

将会被内部转化为：

cpp 复制代码

(*ptr->vptr[1])(ptr);

其中:

vptr表示由编译器产生的指针,指向 virtual table.它被安插在每一个"声明有（或继承自）一个或多个virtual functions"的class object中。事实上其名称也会被"mangled"，因为在一个复杂的 class 派生体系中可能存在有多个vptrs.
1是virtual table slot的索引值，关联到normalize()函数
第二个ptr表示this指针.

类似的道理,如果magnitude()也是一个virtual function,它在normalize()之中的调用操作将被转换如下:

cpp 复制代码

// register float mag = magnitude();
register float mag = (*this->vptr[2])(this);

此时，由于Point3d::magnitude()是在 Point3d:.normalize()中被调用，而后者已经由虚拟机制而决议（(resolved）妥当，所以明确地调用"Point3d实体"会比较有效率，并因此压制由于虚拟机制而产生的不必要的重复调用操作:

cpp 复制代码

// 明确的调用操作会压制虚拟机机制
register float mag = Point3d::magnitude();

如果magnitude(声明为inline函数会更有效率。使用class scope operator明确调用一个virtual function，其决议（resolved）方式会和nonstatic member function一样：

cpp 复制代码

register float mag = magnitude__7Point3dFv(this);

对于以下调用：

cpp 复制代码

// Point3d obj;
obj.normalize();

如果编译器把它转换为：

cpp 复制代码

(*obj.vptr[1])(&obj);

虽然语意正确，却没有必要。请回忆那些并不支持多态( polymorphism）的对象( 1.3节）。所以上述经由obj 调用的函数实体只可以是 Point3d::normalize() ,"经由一个 class object调用一-个virtual function"，这种操作应该总是被编译器像对待一般的nonstatic member function 一样地加以决议(resolved) :

cpp 复制代码

normalize__7Point3dFv(&obj);

这项优化工程的另一利益是，virtual function的一个inline函数实体可以被扩展（ expanded）开来，因而提供极大的效率利益。

Static Member Functions(静态成员函数)

如果 Point3d::normalize()是一个static member function，以下两个调用操作:

cpp 复制代码

obj.normalize();
ptr->normalize();

将被转换为一般的nonmember函数调用，像这样:

cpp 复制代码

// obj.normalize();
normalize()__7Point3dSFv();

// ptr->normalize();
normalize()__7Point3dSFv();

《深度探索c++对象模型》第四章笔记

4 Function语意学( The Semantics of Function )

4.1 Member 的各种调用方式

Nonstatic Member Functions(非静态成员函数)

Virtual Member Functions(虚拟成员函数)

Static Member Functions(静态成员函数)