cpp-houjie

CPP Houjie

Subtitle: 侯捷 C++ 课程笔记
Created: 2023-11-25T10:40+08:00
Categories: CPP

面向对象编程（上）
C++ 程序设计（Ⅱ）兼谈对象模型
C++ 标准库体系结构与内核分析
附
- Component 和 Inheritance 的构造和析构顺序
- 虚函数、虚表、虚继承的内存布局
参考资料

面向对象编程（上）

Intro
头文件和类的声明
1. 类内部是指针成员（string）还是真的有一个 Object（本节课的复数的例子）
2. Guard
3. Friend
4. 初识模板
构造函数
1. access level
2. constructor
  1. 默认参数
  2. Initialization List
  3. 函数重载
  4. 像复数这个例子没有指针来管理一般不用写析构函数
  5. 构造函数放到 private 里的例子：单例模式，使用 static 关键字
参数传递和返回值
1. const 修饰函数
2. pass by value 和 pass by reference
3. return by value 和 return by reference，需要考虑返回的对象是否 valid
4. 相同类的各个 objects 互为友元（friends）

操作符重载和临时对象

成员函数的重载，以 += 为例
重载复数的 +=，比如 lhs += rhs;，+= 会把指向 lhs 的指针作为 this 传进去

// `lhs += rhs` will call function below
inline complex&
complex::operator += (const complex& rhs) { // += is a function
    return __doapl(this, rhs); // do assignment plus
}

这种写法考虑了链式使用 c3 += c2 += c1;

非成员函数的重载，以 + 为例，

参数没有 this
不 return by reference，通过 type() 返回临时对象

inline complex
operator (const complex& x,const complex& y) {
    return complex(real(x) + real(y),
                imag (x) + imag(y))
}

inline complex
operator + (const complex& x, double y) {}
    return complex (real (x) + y, imag (x));
}

inline complex
operator + (double x,const complex& y)
    return complex (x + real (y), imag (y));
}

还有 << 等操作符的重载，就不赘述了。

复习 Complex 类的实现，Jump
拷贝构造，拷贝赋值，析构，也就是「big three」以 class with pointer 的 String 为例
string s1(s); string s2 = s;
编译器会自己给拷贝构造和拷贝赋值函数，那就是逐比特复制，不适用于类内带指针的情况，否则两个对象内部的指针将指向同一块内存区域
拷贝赋值需要 override assignment operator
1. 拷贝构造：string s(src);
  1. 使用 new 来获得内存：data = new char[strlen(src.data) + 1]; strcpy(data, src);
    因为兄弟之间互为 friend，所以拷贝构造可以直接访问参数的 private 成员
  2. 使用 delete 来释放：delete[] data;
2. 拷贝赋值：string s1 = s;
  1. 检测自我赋值，否则将释放自己的内存，导致空指针
  2. 释放自己原有内存，再做拷贝
堆、栈和内存管理
1. 栈内对象销毁会自动调用析构函数，所以 {string s1 = s;} 离开作用域就会调用析构，这种叫做 auto object
2. 堆上的对象用 new 关键字创造，需要自己 delete
3. 静态对象，static，等程序结束后销毁，如 static string s1;
4. 全局对象，不在任何花括号中定义，main() 结束后销毁
5. new 做了什么：
  1. 用 operator new，底层是 malloc 得到 sizeof(obj) 大小空间
  2. static cast
  3. 调用构造函数
6. delete 做了什么
  1. 调用对象本身的析构函数，将对象外部引用的内存释放
  2. delete 对象本身，底层是 free
7. array new 和 array delete 一定要配对使用
  1. new 底层调用了 malloc，在 TCPL 中提到了，malloc 得到的内存前面是会记载分配的内存有多大，图中是 3，因为 string 使用的 data 只有一 32 位的指针
  2. delete p 只会把 p 指向的对象，也就是 string[] free 掉，对象内部还指向了 char[]，这个需要调用 string 的析构函数才行
String 类复习，Jump
类模板等
1. static 关键词：
  1. 用在 data member，说明不属于任何一个对象，比如银行账户的利率，每个账户都有，但是每个账户都一样
  2. 用在 member function，那么调用的时候不会传入 this pointer，只能处理类的 static data member，调用的方式有两种：Account::set_rate(); 或者通过 instance 调用 a.set_rate()，这个时候编译器就不会帮我们传入 this
  3. 单例模式：这个类只有一个对象，放到 static function 里管理
2. 类模板 class template，使用一个头，告诉编译器类型还不确定，到时候再生成对应的代码，会导致「代码膨胀」，比如 complex 的实部虚部类型还不确定
3. 函数模板 function template，比如 max(T, T)，类模板用户指定，函数模板类型推导
组合与继承：
1. Composition（组合）：一个类里面有另外一种东西（has-a），就是组合，比如 queue 里面有 deque
  note. 提到了 adapter 这种设计模式，queue 只是包装了 deque，所以它是一个 adapter
classDiagram queue *--> deque
1. Delegation（委托）: Composition by reference
classDiagram String o--> StringRep
String 内部只有方法，具体的实现（Implementation）交给 StringRep
1. Inheritance（继承）:表示 is-a
classDiagram Base <|-- Derived
内存上，就是子类「包了」一个父类，父类的析构函数要加上 virtual 关键字
继承与多态：
1. 数据的继承是直接 copy 一份下来，函数的继承是继承了调用权，调用权也分三种：
  1. non-virtual: 不希望被 overriding
  2. virtual：希望被，而且自己有定义
  3. pure virtual：希望被，但是自己没有默认定义，函数 body 直接写 =0
2. 继承的实例：CDocument 和 CMyDoc，CDocument::OnOpenFile() 需要子类的 Serialize()
3. 委托 + 继承的实例：Observer 和 Subject，Subject 内部存储 Observer*[]，自己更新后 notify 他们，Observer 是父类
委托相关设计
1. Composite: 类似于文件系统，
  
  classDiagram Component <|-- Primitive Component <|-- Composite class Composite { - c: vector &lt Component* &gt + add(e: Component) }
  Primitive 就像文件，Composite 就像文件夹
2. Prototype: 父类可以创造指定的子类，外界也只能通过父类来创建子类
  每一个子类都有一个 static self 对象（因为 static 不属于任何一个实例，所以可以这样做），这个对象创建后父类要知道（父类可以使用数组保存子类对象的指针），所以要调用父类的一个函数把该实例添加到父类的数组中。
  父类创建子类的时候，需要子类提供 clone() 方法。

C++ 程序设计（Ⅱ）兼谈对象模型

Intro，Jump
转换函数：分数分为分母和分子，重载 double() 函数，不用写返回值：operator double() const{...}，编译器遇到 4+f 会查找可能调用的函数，先查找+ 有没有被重载，没有，然后是想办法把 fraction 转换为 double，这样 f 就可以和 4 相加
non-explicit-one-argument constructor：如果没有提供转换函数，但是提供了一个构造函数，Fraction(int num, int den=1) 和重载 Fraction 的加法，编译器遇到 f+4 就可以尝试把 F 构造成一个 Fraction，这样就可以和 Fraction 相加。
但是如果转换和构造同时存在，编译器对于 4+f 会报 ambiguous 的 error。所以引出了 explict 关键字，编译器不要悄悄地转换 4 到 Fraction
pointer-like classes: 一个类长出来像一个 class，为什不直接用原来的 class，因为希望比原来的指针多做一些事，这里介绍 shared_ptr 和迭代器，要重载 * 和 -> 操作符。-> 直接返回内部的指针。
function-like classes：仿函数，C++ 里面有一些奇怪的 struct，只是重载了一个操作符()，这样对象产生实例后再使用 () 运算符，还有这类 struct 还继承一些奇怪的类。
```
template<class T>
struct plus: public binary_function<T,T,T> {
    T operator() (const T& x, const T& y) const {return x + y;}
}
```
使用；plus<int>()(1,2);
namespace 经验谈：jump
class template：侯捷说非常简单，Jump
function template：Jump
member template：使用的例子是 pair 的，但是除了多了点类型作为参数外，我没看出来和 class template 有什么特别的地方。
specialization 模板特化：当类型为 xxx 的时候，可以做特殊的处理，比如 hash<long>
模板偏特化：
1. 个数上的偏，比如需要指定两种类型，我要特殊处理其中一种类型：从 vector<T, Alloc> 到 vector<bool, Alloc>
2. 范围上的偏：比如当传入的是一个指针，希望做特定的操作
```
template <typename T>
class C<T*> {...};
```
  使用：C<string*> obj
template template parameter（模板模板参数）：一个模板需要接受另一个模板作为参数，比如想要： XCls<long, auto_ptr> p;
```
template<typename T,
    template <typename T>
        class Container // 不适用于 list 等，因为它们需要 allocator 模板参数
>
class Xcls {Container<T> c;}
```
有个辨析什么是真正的模板参数，看不懂，就不深究了
C++ 标准库：Jump
三个主题
1. 数量不定的模板参数
2. auto
3. range-base for
reference: 引用要制造一种假象，地址（&）、大小（sizeof）都和引用对象的结果一样。
复合、继承关系下的构造和析构：参考代码在文末，construct 顺序是 Base -> Comp -> Derived，析构顺序相反，可能不同编译器顺序不一样，但是构造由内而外，析构由外而内
对象模型：关于 vptr（虚指针）和 vtbl（虚表）
1. 父类几个虚函数，子类就至少有几个虚函数
2. vptr 指向 vtbl，vtbl 里面放的都是函数指针，指向虚函数（也就是继承来的函数）
3. 编译时候，是动态绑定机制，满足以下三个条件，就会编译成虚函数调用的形式
  1. 指针调用
  2. 向上转型
  3. 调用虚函数
关于 this：用了 MyDoc 的 OnFileOpen() 和 Serialize() 的例子，
MyDoc 子类调用 OnFileOpen()，函数内部需要执行子类的 Serialize()，在编译父类的 OnFileOpen() 就需要动态绑定 Serialize() 为虚函数调用
关于 Dynamic Binding：通过例子告诉大家一定要符合三个条件才会使用动态绑定
note. 这部分还需要看附录的虚表
讲述函数声明中的 const 关键字，这个 CPP Primer 讲过了，使用的例子是 string 的 operator[] 要区分常量调用还是非常量调用（要考虑 copy on write）。
const 也是函数签名的一部分
有一条规则：「當成員函数的 const 和 non-const 版本同時存在，const object 只會（只能）調用 const 版本，non-const object 只會（只能）調用 non-const 版本」
关于 new 和 delete，new 是 expression，不能重载，new 会调用 operator new，这个可以重载，先分配内存再 ctor。delete 先调用 dtor，再释放 memory
重载 new 和 delete：既可以重载全局的 new、new[]、delete 和 delete[]，也可以通过成员函数重载单个类的这四种操作符。若无成员函数重载则使用全局的。
示例：可以通过 ::new 和 ::delete 强制使用全局的 new 和 delete operator。
使用 new[] 得到的指针的第一个字节会记录后续有多少个对象，也正是因为记录了多少个对象，delete[] 才知道需要调用多少次析构。
重载 new() 和 delete() 示例：还有一种重载形式是 placement new，比如 Foo* pf = new(300, 'c') Foo;，也可以重载多种 delete，但是只有 ctor 抛出 exception 时候被调用。
basic_string 使用 new(extra) 扩充申请量：重载 placement new，为的是能够多申请一个 extra 的空间，用来放真正的字符串的内容，还有一部分用来放 ref count

C++ 标准库体系结构与内核分析

认识 headers、版本、重要资源：标准库（Standard Library）大于 STL（Standard Template Library），6 大部件是 STL，还有一些小东西，加上才是标准库
STL 有 6 大部件：Container，Allocator，Algorithm，Iterator，Functional，Adaptor
容器之分类与各种测试（一）：
1. 容器的分类，sequence、associative 之类的
2. 使用 <ctime> 测试排序、二分查找的耗时
容器之分类与各种测试（二）：Vector，我学到的点是，用了 try-catch 捕获 bad-alloc 异常并且 abort()
容器之分类与各种测试（三）：总结顺序容器（sequence），用顺序查找，也就是全局 search，然后再排序再二分查找观察用时
1. 对 List 这个双向链表测试效率，有个注意点是，List 本身有 sort() 方法，有些容器本身就有排序方法，所以不必调用全局的排序
2. 单向链表 forward_list 没有 push_back，因为持有的指针是 head，尾部插入需要遍历整个链表，太慢就不要了，所以只有 push_front，每次先进来的反而在头部，有 stack 的感觉
3. deque，分段连续
4. stack 和 queue，都只有 push，是 adapter
容器之分类与各种测试（四）：测试各种 multi unordered set/map
1. 测试 Set，底层是红黑树，自己提供了 set.find() 方法。
2. 测试 multi unordered_set，有 bucket 的概念，也就是篮子，当篮子个数小于元素时候就要打散，篮子数量扩充为原来的两倍，也有自己的 find 方法
分配器之测试：
1. 容器有一个默认参数是分配器，有标准库之外的分配器，比如介绍的 GNU 的分配器
2. 通过向 list 不断 push_back 测试用时，各种分配器的效率
3. 分配器应该和容器搭配使用，而且不应该直接使用分配器索要内存，原因之一是释放的时候还要告诉分配器释放多少内存，不方便。
源代码之分布：大概是 GNU 源代码在哪一个文件夹
OOP（面向对象编程）vs GP（泛型编程）：
1. OOP 将 data 和 method 放在一起，GP 将 data（Container）和 method(Algorithm) 分开，通过 Iterator 联系在一起
2. 为什么 list 自己有 sort 而且不能用 ::sort，因为 ::sort 需要随机访问迭代器，支持 first + (last -first)/2，list 的迭代器不支持随机访问，每次只能 +1
操作符重载和模板
1. 操作符重载可以在类内重载，也可以在全局重载，有些不支持全局重载，还有些操作符不支持重载
2. 模板分为：类模板、函数模板和成员模板（不介绍）
3. 模板的特化：有些类型希望独立出来处理，语法就是把 <> 里面的 type 抽出来，这里介绍的是 hash 的特化，有 hash<int>、hash<char>
4. 模板的偏特化（partial specialization）：一个类模板接受多个参数，希望当部分参数满足条件的时候处理，比如 vector<bool>，因为 vector这个模板类接受的是两个参数。
5. 还有一种范围的偏特化，比如接受的是指针，指针指向的类型无所谓，如果是指针的话，希望进行特化
分配器（Allocators）：
1. 看了 VC6 的 allocator，有 allocate 和 deallocate 两个函数，没有任何特殊设计。
  我们不直接使用 allocator 的一个致命原因是，deallocate 需要告诉他返回多少个元素，没有人会记得自己曾经索要过多少内存。
2. 还看了 BC 和 GNU C 的 allocator，都只是包装 malloc 和 free，没有任何特殊的设计，这样会导致 overhead 大。
3. GNU2.9 C 还有一个类 alloc 才是真正用来分配内存的，通过内部链表管理申请的特定大小的内存，到了 4.9 版本变成 __pool_alloc，STL 用的变成原来简单包装的，使用：
  vector<string, __gnu_cxx::__poll_alloc<string>> vec;
容器之间的实现关系与分类：Jump
深度探索 list 上：GNU2.9
1. list 内部数据只有一个 node，指向一个节点
2. 每个 container 内部要定义 iterator 类型，比如 list::iterator 这个 iterator 为了模拟指针要实现 5 个函数
3. 重点讲解 ++，通过 int 参数区分 i++ 和 ++i，后加加返回 copy 对象
深度探索 list 下
1. GNU4.9 版本的 list，iterator 的模板参数只有一个，节点不再是 void*
2. list 被设计成环状，并且最后一个为空节点 end
iterator 设计原则和 traits
1. traits 的作用是回答 algorithm 的「提问」，有 category、difference_type、reference、pointer 和 reference，根据 iterator 的 trait（特点）来决定如何操作。
2. 为了能够让算法区分传进来的是 iterator 还是裸指针，如果是 iterator，就应该直接返回 iterator traits 的回答，如果是指针就不能直接问，此处设计一个偏特化来实现类型的区分。这个中间层 traits 被形容为「萃取机」
vector 深度探索：
1. 就是要扩容，把原来的内存空间都释放掉，所以需要大量地调用析构函数
2. 评价 GUN4.9 版本，说太复杂了没必要
array、forward_list: array 没有 ctor 和 dtor。Jump
deque、queue 和 stack 深度探索（上）：
deque、queue 和 stack 深度探索（下）：
1. deque 分段连续，iterator 在每一段内移动的时候，要判断在不在边界然后跳到另一段去，是 random_access_iterator_tag，insert() 可以判断要插入的位置离尾端近还是头端近，
2. iterator 要模拟随机移动的操作，包括 ++、+= 等
3. 里面的控制器是一个 vector，每次扩容 copy 到中段去，这样就可以在 vector 中间向两边扩充
4. queue 和 stack 都只是 adapter，定义的时候第二个模板参数是真正的 container，默认是 deque。它们不提供遍历，也不提供 iterator。stack 可以用 list 和 vector，queue 可以用 list。所谓不可以用其他容器做为底层结构，意思是只要不调用不支持的那个函数，比如 queue 用 vector 作为底层结构，在调用了 pop() 的时候是没法通过编译的，如果不调用就可以通过编译。
RB-Tree 深度探索：讲解内部 iterator 的移动
1. 有个模板类叫做 rb_tree<Key, Value, KeyOfValue, Compare, Alloc>，value = key | data，要告诉红黑树，如何从 value 中取出 key 来。
2. 最简单的 rb_tree<int, int, identity<int>, less<int>, alloc>
3. map 和 set 通过 composite 拥有 rb_tree
4. 每一个节点拥有 left、right、parent 和 color
set、multiset 深度探索
1. 底层都是 rb_tree，可以认为是一种 adapter
2. 区别是调用 insert_unique 还是 insert_equal
map、multimap 深度探索：<class key, class T, class Compare, class Alloc>
1. 对应到 rb_tree 底层 value 是用 pair<const key, T>
2. map 有一个独特的操作，就是 [] 找不到就插入一个新的元素，这是使用 lower_bound() 完成的，该函数返回「不破坏排序得以安插该元素的第一个位置」。
hashtable 深度探索（上）：
1. 模板参数要 hash function，可以计算出一个 hashcode
2. 篮子（bucket）和链（chain）的概念。大家一起约定，当元素个数超过篮子个数，就扩容篮子两倍左右的一个素数，这些素数已经预先存储好了。这相当花时间，所有元素落在哪一个篮子要重新计算。
3. bucket 用 vector 实现，chain 用自己写的链表
hashtable 深度探索（下）：
1. 利用模板的偏特化为 int 等数据类型提供 hash function
2. 使用 % 计算落在哪一个 bucket 里
hash_set, hash_multiset, hash_map, multi_multimap 概念：和 23 重复了
unordered 容器概念：从 C++11 后，hash 就改名字了
（第三讲）算法的形式：算法通过迭代器（iterator）接触到容器，因为是「闭门造成」，所以之恶能问迭代器有什么性质，根据性质提供最快的算法
迭代器的分类（category）：使用了 5 种分类，每一种分类都是 struct，而且通过继承表示能力的兼容
迭代器分类（category）对算法的影响：举例子:
1. 比如 distance
2. 比如 copy 通过 traits 检查，使用 memmove 还是一个个拷贝
3. 其他，不写了
算法源码剖析（11 个例子）：
1. sort 和 find 有的容器会自带，有的用全局的
2. 其他
仿函数和函数对象：函数对象就是一个对象只重载了 () 操作符，function object，也叫 functor
1. 仿函数只为 algorithm 服务，为什么要把 +-*/ 设计成函数（或者说是「函数对象」），因为要作为函数的参数传入，而参数不能是运算符
2. 仿函数 functors 的可适配（adaptable）操作，STL 里面的比如 unary_function 有什么用——继承里面的 typedef

存在多种 adapter：容器 adapter，迭代器 adapter 和仿函数 adapter，仿函数 adapter 需要能够回答问题，比如 binary_function 的「3 个问题」：

template<class Arg1, class Arg2, class Result>
struct binary_function {
    typedef Arg1 first_argument_type;
    typedef Arg2 second_argument_type;
    typedef Result result_type;
}

函数适配器：binder2nd：例子：计算 vector 中小于 40 的元素个数，40 可以作为 less<int> 的参数。如果可以在使用内置的 functor 时候指定参数为 40 就好了，这样以后可以处理 100、200 或者更多的情况。
not1: Jump
bind：新型适配器，可以绑定各种东西，functions, function objects, member functions, data members
reverse_iterator: 逆向迭代器，这是一种迭代器适配器。jump
inserter：把一个链表插入到另一个链表中间： copy(list1.begin(), list1.end(), inserter(list2, it));。奥妙之处在于重载了 copy 中的 = 为 list 的 insert()。
ostream_iterator: 不知道要归到哪一类的 adapter，可以绑定到一个 output stream
重写 = 和 * 操作符
istream_iterator: ++ 操作就是读入一个值到内部的 value 变量中，*就是取出这个值。
第四讲，一个万用的 Hash Function：hash_val(seed, ...args) 的递归调用，逐渐将 seed 和每一个 arg 合并起来，有点像函数的柯里化。
tuple 用例：可以用 tuple 放任意个数任意类型的对象，比如 tuple<int, double, string>，也是类似于柯里化的实现，利用可变模板参数（Variadic template parameters）实现，逐级继承，<int, double, string> -> <double, string> -> <string> 实现元素的放置
type traits: 介绍一些 type_trait，可以理解为是否重要的特点，比如是否需要自己的构造函数，我们可以为自己的对象写 type traits，在编译时后可以知道类型的特点，比如是不是 POD（Plain Old Data，如 struct，只有数据），has_virtual_destructor
traits 实现：
1. 通过泛化和特化 remove const: 如果是 const 对象，就直接取其原来类型，否则九十七本身，同理 remove volatile，合称 remove_cv
2. is_integral: 对数值类型特化
3. 比如 is_class 没出现在源代码里，但是编译器本身知道
cout：Jump
movable 元素对容器速度效能的影响：
1. move constructor 的语法：&&，内部原理：打断传入对象的引用的外部指针，自己指向它，实际是完成了一次浅拷贝
测试函数：感觉有文章讲得更好，就是左值右值，临时对象那一套

附

Component 和 Inheritance 的构造和析构顺序

// comp-base-derived
class Comp {
public:
    Comp() {
        std::cout << "Comp construct()" << std::endl;
    }

    ~Comp() {
        std::cout << "~Comp()" << std::endl;
    }
};

class Base {
public:
    Base() {
        std::cout << "Base construct()" << std::endl;
    }
    ~Base()
    {
        std::cout << "~Base()" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    Comp c;
    Derived() {
        std::cout << "Derived construct()" << std::endl;
    }
    ~Derived() {
        std::cout << "~Derived()" << std::endl;
    }
};

int main()
{
    Derived d;
    return 0;
}

虚函数、虚表、虚继承的内存布局

核心问题是，如何实现：当父类类型持有子类指针时，调用父类函数，实际调用子类函数。

class Base {
public:
    int bx = 0;
    virtual void print() {
        std::cout << "bx: " << bx << std::endl;
    };
};

class Derived : public Base {
    int dx = 1;
    void print() {
        std::cout << "dx: " << dx << std::endl;
    }
};
int main()
{
    Base* pb = new Derived();
    pb->print(); // dx: 1
    delete pb;
    return 0;
}

调用父类函数时候的 this 指针指向的对象符合父类的内存布局（解决方法是 offset-to-top）
调用父类函数的时候要访问子类成员变量的时候，this 指针指向的对象符合子类的内存布局（解决方法是 thunk）

还有更复杂的菱形基础、虚拟继承的问题，再牵扯出一系列的术语：thunk、offset-to-top、vbase-offset 和 vcall-offset，以及在类的构造和析构过程中，对虚表内各个实体的调整。

参考资料

posted @ 2023-12-03 16:35 dutrmp19 阅读(28) 评论(0) 编辑收藏举报

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