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C++辨析系列谈 [作者: 郑力群]

简介: static 是C++中很常用的修饰符,它被用来控制变量的存储方式和可见性,下面我将 从 static 修饰符的产生原因、作用谈起,全面分析static 修饰符的实质。
开场白: 
  任何事情,只要你想将它做好,首先就必须对它进行深入地理解,编程也一样。只有 
通晓了它的本质,在编程的实践中,才能有的放矢地对程序设计中各种情况进行分析,从 
而能够比较容易地找出较好的解决方案,C++是VC++,C++Build等的核心基础和重要的组成 
部分,在编程实践中不断的学习和体会,使我积累了一些心得,因此,我写了这个C++辨析 
系列谈,将我的所想、所得与各位编程爱好者分享。 

适合对象: 

  我是在九八年底才渐渐从C转向C++编程的,C的影响对我很大,因此,在学习与使用C 
++时,我总会自觉不自觉地问自己,C++中为什么会引入这些新的关键字、新的模式、新的 
思想?究竟是什么使得C++在许多方面都比C优越?这个系列谈就是我思考的结果。因此它 
非常适合对C有一些了解,同时希望转向C++,VC++等的编程爱好者,另外,对使用C++,VC 
++的编程人员,也有一些借鉴的意义。 

内容: 

  此系列谈将重点分析一些C++中重要且本质的概念和术语,分析它们因何而来?特点如 
何?以及这些特点如何在编程实践中应用等问题,也是我个人学习的一些心得。 

  我将通过不同方式所得的知识串起来,同时使用一种我认为比较合乎思维方式的写法 
来进行阐述,如果它能对大家理解与学习C++、VC编程有所帮助,也就算达到目标了。当然 
能否达到目标,还请读者不吝评判与指教。 



  static 是C++中很常用的修饰符,它被用来控制变量的存储方式和可见性,下面我将 
从 static 修饰符的产生原因、作用谈起,全面分析static 修饰符的实质。 

static 的两大作用: 

一、控制存储方式: 

  static被引入以告知编译器,将变量存储在程序的静态存储区而非栈上空间。 

  1、引出原因:函数内部定义的变量,在程序执行到它的定义处时,编译器为它在栈上 
分配空间,大家知道,函数在栈上分配的空间在此函数执行结束时会释放掉,这样就产生 
了一个问题: 如果想将函数中此变量的值保存至下一次调用时,如何实现? 
最容易想到的方法是定义一个全局的变量,但定义为一个全局变量有许多缺点,最明显的 
缺点是破坏了此变量的访问范围(使得在此函数中定义的变量,不仅仅受此函数控制)。 


  2、 解决方案:因此C++ 中引入了static,用它来修饰变量,它能够指示编译器将此 
变量在程序的静态存储区分配空间保存,这样即实现了目的,又使得此变量的存取范围不 
变。 

二、控制可见性与连接类型 : 

  static还有一个作用,它会把变量的可见范围限制在编译单元中,使它成为一个内部 
连接,这时,它的反义词为”extern”. 

  Static作用分析总结:static总是使得变量或对象的存储形式变成静态存储,连接方 
式变成内部连接,对于局部变量(已经是内部连接了),它仅改变其存储方式;对于全局 
变量(已经是静态存储了),它仅改变其连接类型。 

类中的static成员: 

一、出现原因及作用: 

  1、需要在一个类的各个对象间交互,即需要一个数据对象为整个类而非某个对象服务 
 

  2、同时又力求不破坏类的封装性,即要求此成员隐藏在类的内部,对外不可见。 

  类的static成员满足了上述的要求,因为它具有如下特征:有独立的存储区,属于整 
个类。 

二、注意: 

  1、对于静态的数据成员,连接器会保证它拥有一个单一的外部定义。静态数据成员按 
定义出现的先后顺序依次初始化,注意静态成员嵌套时,要保证所嵌套的成员已经初始化 
了。消除时的顺序是初始化的反顺序。 

  2、类的静态成员函数是属于整个类而非类的对象,所以它没有this指针,这就导致了 
它仅能访问类的静态数据和静态成员函数。 

const 是C++中常用的类型修饰符,但我在工作中发现,许多人使用它仅仅是想当 

然尔,这样,有时也会用对,但在某些微妙的场合,可就没那么幸运了,究其实质原由 


,大多因为没有搞清本源。故在本篇中我将对const进行辨析。溯其本源,究其实质, 


希望能对大家理解const有所帮助,根据思维的承接关系,分为如下几个部分进行阐述 


 

C++中为什么会引入const 

  C++的提出者当初是基于什么样的目的引入(或者说保留)const关键字呢?,这 

是一个有趣又有益的话题,对理解const很有帮助。 

1. 大家知道,C++有一个类型严格的编译系统,这使得C++程序的错误在编译阶段即 

可发现许多,从而使得出错率大为减少,因此,也成为了C++与C相比,有着突出优点 

的一个方面。 

2. C中很常见的预处理指令 #define VariableName VariableValue 可以很方便地进行值 
 

代,这种值替代至少在三个方面优点突出: 

  一是避免了意义模糊的数字出现,使得程序语义流畅清晰,如下例: 
  #define USER_NUM_MAX 107 这样就避免了直接使用107带来的困惑。 
  二是可以很方便地进行参数的调整与修改,如上例,当人数由107变为201时,进 

改动此处即可, 

  三是提高了程序的执行效率,由于使用了预编译器进行值替代,并不需要为这些 

常量分配存储空间,所以执行的效率较高。 

  鉴于以上的优点,这种预定义指令的使用在程序中随处可见。 

3. 说到这里,大家可能会迷惑上述的1点、2点与const有什么关系呢?,好,请接着向下 


看来: 

  预处理语句虽然有以上的许多优点,但它有个比较致命的缺点,即,预处理语句 

仅仅只是简单值替代,缺乏类型的检测机制。这样预处理语句就不能享受C++严格类 

型检查的好处,从而可能成为引发一系列错误的隐患。 

4.好了,第一阶段结论出来了: 
结论: Const 推出的初始目的,正是为了取代预编译指令,消除它的缺点,同时继承 


它的优点。 

现在它的形式变成了: 

Const DataType VariableName = VariableValue ; 
为什么const能很好地取代预定义语句? 
const 到底有什么大神通,使它可以振臂一挥取代预定义语句呢? 

1. 首先,以const 修饰的常量值,具有不可变性,这是它能取代预定义语句的基础。 


2. 第二,很明显,它也同样可以避免意义模糊的数字出现,同样可以很方便地进行 

参数的调整和修改。 

3. 第三,C++的编译器通常不为普通const常量分配存储空间,而是将它们保存在符 

号表中,这使得它成为一个编译期间的常量,没有了存储与读内存的操作,使得它的 

效率也很高,同时,这也是它取代预定义语句的重要基础。 

这里,我要提一下,为什么说这一点是也是它能取代预定义语句的基础,这是因为, 

编译器不会去读存储的内容,如果编译器为const分配了存储空间,它就不能够成为一 


个编译期间的常量了。 

4. 最后,const定义也像一个普通的变量定义一样,它会由编译器对它进行类型的检 


测,消除了预定义语句的隐患。 

const 使用情况分类详析 

1.const 用于指针的两种情况分析: 
 int const *A;  file://A可变,*A不可变 
 int *const A;  file://A不可变,*A可变 

  分析:const 是一个左结合的类型修饰符,它与其左侧的类型修饰符和为一个类型 


修饰符,所以,int const 限定 *A,不限定A。int *const 限定A,不限定*A。 

2.const 限定函数的传递值参数: 

 void Fun(const int Var); 

  分析:上述写法限定参数在函数体中不可被改变。由值传递的特点可知,Var在函 


数体中的改变不会影响到函数外部。所以,此限定与函数的使用者无关,仅与函数的 

编写者有关。 
结论:最好在函数的内部进行限定,对外部调用者屏蔽,以免引起困惑。如可改写如 

下: 

void Fun(int Var){ 
const int & VarAlias = Var; 

VarAlias .... 

..... 

} 

3.const 限定函数的值型返回值: 

const int Fun1(); 

const MyClass Fun2(); 

 分析:上述写法限定函数的返回值不可被更新,当函数返回内部的类型时(如Fun1) 


,已经是一个数值,当然不可被赋值更新,所以,此时const无意义,最好去掉,以免 



困惑。当函数返回自定义的类型时(如Fun2),这个类型仍然包含可以被赋值的变量 
成员,所以,此时有意义。 

4. 传递与返回地址: 此种情况最为常见,由地址变量的特点可知,适当使用const,意 


义昭然。 

5. const 限定类的成员函数: 

class ClassName { 

 public: 

  int Fun() const; 

 ..... 

} 

  注意:采用此种const 后置的形式是一种规定,亦为了不引起混淆。在此函数的声 


明中和定义中均要使用const,因为const已经成为类型信息的一部分。 

获得能力:可以操作常量对象。 

失去能力:不能修改类的数据成员,不能在函数中调用其他不是const的函数。 

  在本篇中,const方面的知识我讲的不多,因为我不想把它变成一本C++的教科书 

。我只是想详细地阐述它的实质和用处. 我会尽量说的很详细,因为我希望在一种很轻 


松随意的气氛中说出自己的某些想法,毕竟,编程也是轻松,快乐人生的一部分。有 

时候,你会惊叹这其中的世界原来是如此的精美。 

在上篇谈了const后,本篇再来谈一下inline这个关键字,之所以把这篇文章放在这个位置 
,是因为inline这个关键字的引入原因和const十分相似,下面分为如下几个部分进行阐述 
 

C++中引入inline关键字的原因: 

  inline 关键字用来定义一个类的内联函数,引入它的主要原因是用它替代C中表达式 
形式的宏定义。 

表达式形式的宏定义一例: 

   #define ExpressionName(Var1,Var2) (Var1+Var2)*(Var1-Var2) 

为什么要取代这种形式呢,且听我道来: 

  1. 首先谈一下在C中使用这种形式宏定义的原因,C语言是一个效率很高的语言,这 
种宏定义在形式及使用上像一个函数,但它使用预处理器实现,没有了参数压栈,代码生 
成等一系列的操作,因此,效率很高,这是它在C中被使用的一个主要原因。 

  2. 这种宏定义在形式上类似于一个函数,但在使用它时,仅仅只是做预处理器符号 
表中的简单替换,因此它不能进行参数有效性的检测,也就不能享受C++编译器严格类型检 
查的好处,另外它的返回值也不能被强制转换为可转换的合适的类型,这样,它的使用就 
存在着一系列的隐患和局限性。 

  3. 在C++中引入了类及类的访问控制,这样,如果一个操作或者说一个表达式涉及到 
类的保护成员或私有成员,你就不可能使用这种宏定义来实现(因为无法将this指针放在合 
适的位置)。 

  4. inline 推出的目的,也正是为了取代这种表达式形式的宏定义,它消除了它的缺 
点,同时又很好地继承了它的优点。 

为什么inline能很好地取代表达式形式的预定义呢? 

对应于上面的1-3点,阐述如下: 

  1. inline 定义的类的内联函数,函数的代码被放入符号表中,在使用时直接进行替 
换,(像宏一样展开),没有了调用的开销,效率也很高。 

  2. 很明显,类的内联函数也是一个真正的函数,编译器在调用一个内联函数时,会 
首先检查它的参数的类型,保证调用正确。然后进行一系列的相关检查,就像对待任何一 
个真正的函数一样。这样就消除了它的隐患和局限性。 

  3. inline 可以作为某个类的成员函数,当然就可以在其中使用所在类的保护成员及 
私有成员。 
在何时使用inline函数: 

  首先,你可以使用inline函数完全取代表达式形式的宏定义。 


另外要注意,内联函数一般只会用在函数内容非常简单的时候,这是因为,内联函数的代 
码会在任何调用它的地方展开,如果函数太复杂,代码膨胀带来的恶果很可能会大于效率 
的提高带来的益处。 内联函数最重要的使用地方是用于类的存取函数。 
如何使用类的inline函数: 

简单提一下inline 的使用吧: 

1.在类中定义这种函数: 

class ClassName{ 

..... 

.... 

GetWidth(){return m_lPicWidth;}; // 如果在类中直接定义,可以不使用inline修饰 


.... 

.... 

} 

2.在类中声明,在类外定义: 

class ClassName{ 

..... 

.... 

GetWidth(); // 如果在类中直接定义,可以不使用inline修饰 

.... 

.... 

} 

inline GetWidth(){ 

return m_lPicWidth; 

} 

  在本篇中,谈了一种特殊的函数,类的inline函数,它的源起和特点在某种说法上与 
const很类似,可以与const搭配起来看。另外,最近有许多朋友与我Mail交往,给我谈论 
了许多问题,给了我很多启发,在此表示感谢。 



  前言 

  面向对象程序设计的基本观点是用程式来仿真大千世界,这使得它的各种根本特性非 
常人性化,如封装、继承、多态等等,而虚拟函数就是C++中实现多态性的主将。为了实现 
多态性,C++编译器也革命性地提供了动态联编(或叫晚捆绑)这一特征。 

  虚拟函数亦是MFC编程的关键所在,MFC编程主要有两种方法:一是响应各种消息,进行 
对应的消息处理。二就是重载并改写虚拟函数,来实现自己的某些要求或改变系统的某些 
默认处理。 

  虚函数的地位是如此的重要,对它进行穷根究底,力求能知其然并知其所以然 对我们 
编程能力的提高大有好处。下面且听我道来。 

  多态性和动态联编的实现过程分析 

  一、基础略提(限于篇幅,请参阅相应的C++书籍): 

  1、多态性:使用基础类的指针动态调用其派生类中函数的特性。   2、动态联编: 
在运行阶段,才将函数的调用与对应的函数体进行连接的方式,又叫运行时联编或晚捆绑 
 

  二、过程描述: 

  1、编译器发现一个类中有虚函数,编译器会立即为此类生成虚拟函数表 VTABLE(后 
面有对VTABLE的分析)。虚拟函数表的各表项为指向对应虚拟函数的指针。 

  2、编译器在此类中隐含插入一个指针VPTR(对VC编译器来说,它插在类的第一个位置 
上)。 

  有一个办法可以让你感知这个隐含指针的存在,虽然你不能在类中直接看到它,但你 
可以比较一下含有虚拟函数时的类的尺寸和没有虚拟函数时的类的尺寸,你能够发现,这 
个指针确实存在。 

  class CNoVirtualFun 
   { 
    private: 
    LONG lMember; 
    public: 
    LONG GetMemberValue(); 
   } class CHaveVirtualFun 
   { 
    private: 
     LONG lMember; 
    public: 
     virtual LONG GetMemberValue(); 
    } 

   CNoVirtualFun obj; 


sizeof(obj) -> == 4; 
   CHaveVirtualFun obj; 
   sizeof(obj) -> == 8; 
  3、在调用此类的构造函数时,在类的构造函数中,编译器会隐含执行VPTR与VTABLE的 
关联代码,将VPTR指向对应的VTable。这就将类与此类的VTABLE联系了起来。 

  4、在调用类的构造函数时,指向基础类的指针此时已经变成指向具体的类的this指针 
,这样依靠此this指针即可得到正确的VTABLE,从而实现了多态性。在此时才能真正与函 
数体进行连接,这就是动态联编。 
  三、VTABLE 分析: 

  分析1:虚拟函数表包含此类及其父类的所有虚拟函数的地址。如果它没有重载父类的 
虚拟函数,VTABLE中对应表项指向其父类的此函数。反之,指向重载后的此函数。 

  分析2:虚拟函数被继承后仍旧是虚拟函数,虚拟函数非常严格地按出现的顺序在 VT 
ABLE 中排序,所以确定的虚拟函数对应 VTABLE 中一个固定的位置n,n是一个在编译时就 
确定的常量。所以,使用VPTR加上对应的n,就可得到对应函数的入口地址。 

  四、编译器调用虚拟函数的汇编码(参考Think in C++): 

  push FunParam ;先将函数参数压栈 

  push si ;将this指针压栈,以确保在当前类上操作 

  mov bx,word ptr[si] ;因为VC++编译器将VPTR放在类的第一个位置上,所以bx内为 
VPTR 

  call word ptr[bx+n] ;调用虚拟函数。n = 所调用的虚拟函数在对应 VTABLE 中的 
位置 


  纯虚函数: 

  一、引入原因: 

  1、为了方便使用多态特性,我们常常需要在基类中定义虚拟函数。 

  2、在很多情况下,基类本身生成对象是不合情理的。例如,动物作为一个基类可以派 
生出老虎、孔雀等子类,但动物本身生成对象明显不合常理。 

  为了解决上述问题,引入了纯虚函数的概念,将函数定义为纯虚函数(方法:virtua 
l ReturnType Function()= 0;),则编译器要求在派生类中必须予以重载以实现多态性。 
同时含有纯虚拟函数的类称为抽象类,它不能生成对象。这样就很好地解决了上述两个问 
题。   二、纯虚函数实质: 

  1、类中含有纯虚函数则它的VTABLE表不完全,有一个空位,所以,不能生成对象(编 
译器绝对不允许有调用一个不存在函数的可能)。在它的派生类中,除非重载这个函数, 
否则,此派生类的VTABLE表亦不完整,亦不能生成对象,即它也成为一个纯虚基类。 


  虚函数与构造、析构函数: 

  1、构造函数本身不能是虚拟函数;并且虚机制在构造函数中不起作用(在构造函数中 
的虚拟函数只会调用它的本地版本)。   想一想,在基类构造函数中使用虚机制,则可 
能会调用到子类,此时子类尚未生成,有何后果!?。 

  2、析构函数本身常常要求是虚拟函数;但虚机制在析构函数中不起作用。 

  若类中使用了虚拟函数,析构函数一定要是虚拟函数,比如使用虚拟机制调用delete 
,没有虚拟的析构函数,怎能保证delete的是你希望delete的对象。 

  虚机制也不能在析构函数中生效,因为可能会引起调用已经被delete掉的类的虚拟函 
数的问题。 

  对象切片: 

  向上映射(子类被映射到父类)的时候,会发生子类的VTABLE 完全变成父类的VTABLE的 
情况。这就是对象切片。 

原因:向上映射的时候,接口会变窄,而编译器绝对不允许有调用一个不存在函数的可能 
,所以,子类中新派生的虚拟函数的入口在VTABLE中会被强行“切”掉,从而出现上述情 
况。 

  虚拟函数使用的缺点 

  优点讲了一大堆,现在谈一下缺点,虚函数最主要的缺点是执行效率较低,看一看虚 
拟函数引发的多态性的实现过程,你就能体会到其中的原因。 

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