C++的黑科技（深入探索C++对象模型）

Posted 2020-06-17

周二面了腾讯，之前只投了TST内推，貌似就是TST面试了

其中有一个问题，“如何产生一个不能被继承的类”，这道题我反反复复只想到，将父类的构造函数私有，让子类不能调用，最后归结出一个单例模式，但面试官说，单例模式作为此题的解答不够灵活，后来面试官提示说，可以用友元+虚继承，可以完美实现这样一个类

当然那时我还不太明白，友元与虚继承我都极少接触过，只是知道有这些东西，回头搜了一下“不能被继承的类”的做法，具体如下：

1，声明一个类，CNoHeritance，构造函数为private，并声明友元类CParent；
2，让CParent虚继承CNoHeritance
这样CParent就成为一个可以被正常实例化，但又不能被继承的类

吴总当时评价说，“呵呵，虚继承，感觉完全是黑科技啊”

这个黑科技真是戳中我笑点，但想到C++经常有些奇妙的东西，现在想总结一下

1，C++构造函数的黑科技

对于阅读过进阶C++书籍的都该知道，编译器会在“需要”的时候，那么什么是需要的时候呢？四种情况：

• 1，“带有Default Constructor”的Member Class Object
• 2，“带有Default Constructor”的Base Class
• 3，“带有至少一个Virtual Function”的Class
• 4，“带有一个Virtual Base Class”的Class

自动合成的构造函数往往都是public，在派生类中，它的构造函数是可以被使用的，即派生类不会因此受到限制。

那么，如何能使派生类不能使用基类的函数或成员呢？

• private：只能由：1，该类中的函数；2，其友元函数访问
• protected：可以被：1，该类中的函数；2，其友元函数；3，派生类（子类）的函数访问
• public：可以被：1，该类中的函数；2，其友元函数；3，子类的函数；4，该类的对象访问

如果一个类的构造函数声明为private，则其派生类甚至该类的对象都不能访问，意味着两点：

• 1，该类不能被继承
• 2，该类不能由系统实例化，即它实例化的对象不会在栈内存上

那么怎么使用该类呢？一般而言，会通过该类的函数来创建

class A
{
private:
    A(){}
public:
    A& createA()
    {
        A* p=new A();
        return *p;
    }
};

然而，这样又引申一个问题：类没有实例化，如何能使用其成员函数呢？

答案是将该成员函数声明为static，这样不需要实例化即可访问，即将上述改为：

class A
{
private:
    A(){}
public:
    static A& createA()
    {
        A* p=new A();
        return *p;
    }
};

A Object=A::createA();

很明显，上面的实例化过程很不方便，简直是艰辛呀，单例模式的其中一种实现就是如此，在此先不讲。这样实现的类，不能被继承，但自己也不好过

so，如果用友元来实现，是怎么实现的呢？

声明一个类，及其友元

class A
{
private:
    A(){}

    friend class B;
};

那么B是可以调用A的private的构造函数的，那么让B虚继承A会发生什么事呢？

由《深度探索C++对象模型》看到，B内存中将有一份A类的实体，调用A的构造函数构造的，这对于友元类B是可行的

class A
{
private:
    A(){}

    friend class B;
};

class B : virtual A
{
};

那么这样的B能不能被继承呢？假设有个类继承了B，如下

class A
{
private:
    A(){}

    friend class B;
};

class B : virtual A
{
};

class C : B
{
};

考虑到虚继承的特性，C也将调用A的构造函数构造出一个A，但！！C并不是A的友元类，所以根本不能执行A私有的构造函数，这段程序，如果不实例化C，编译器不会报错，但一旦实例化C，则将报错。

而B是可以正常实例化的一个类，这样就完美实现了一个不能被继承的类：B

2，C++构造函数初始化列表的黑科技

相比于构造函数的各种trick，C++的初始化列表就显得很容易了，只有那么一点要注意：

C++的初始化列表的赋值顺序，是与C++类里面成员变量的声明顺序相关，与初始化列表里的顺序无关

举个例子，以下就会出现莫名错误：

class A
{
public:
    A(int _x, int _y):y(_y), x(y){}
public:
    int x;
    int y;
};

根据声明顺序，在初始化列表中，是先完成x(y)这个步骤，但此时y并没有被赋值，所以得到的x是个随机的值。

3，C++虚函数的黑科技

C++虚函数的问题，几乎是面试必问，实际上需要了解的东西也挺多，我自己在前几次面试，都有些理解有误的地方，或者理解不够完善

这里总结几点吧（以下类都是针对有虚函数的类）：

• 1，每个类都有虚函数表，这个虚函数表是在编译阶段构建，在代码段产生一个vtbl
• 2，每次实例化的时候，构造函数在前几个字节，产生一个指向虚函数表的指针，指向代码段的那个虚函数表
• 3，虚函数的实现与调整，是通过移动或变换虚函数表的指针来实现的。
• 4，纯虚函数是指只声明，但未被实现的虚函数，具有纯虚函数的类不能被实例化，为抽象类

4，C++拷贝构造函数的黑科技

C++的拷贝构造函数是C++默认的四个函数之一：构造函数、析构函数、赋值函数、拷贝构造函数

拷贝构造函数是一种特别的构造函数，在《深度探索C++对象模型》书中说，有三种情况，会导致拷贝构造函数被触发：

• 1，以一个object的内容作为另一个class object的初始值

  class X {...}
  X x;
  X xx=x;

• 2，当object被当作参数传递给某个函数时

  void foo(X x);
  X xx;
  foo(xx);

• 3，函数传回一个class object的时候

  X foo_bar()
  {
    X xx;
    // ...
    return xx;
  }

一般情况下，如果没有提供explicit copy constructor时，会发生什么呢？

一个良好的编译器可以为大部分class objects产生bitwise copies，因为它们有bitwise semantics...

这里说的很神奇，好像我们不需要自己写copy constructor也没问题一样，实际上，bitwise copies在有些情况下是非常不推崇的

首先解释下什么是bitwise copies：这是指，在拷贝过来的时候，把class的内存直接位拷贝过来，即可以看成是内存拷贝（对应的有值拷贝）

位拷贝有很多问题，典型的一个，如果class里面含有分配内存的指针，那么它会将指针指向的地址直接拷贝过来：

class A
{
public:
    int *p;
};

int main()
{
    A a1;
    a1.p=new int[10];
    A a2=a1;
    cout << a1.p << endl;
    cout << a2.p << endl;
    return 0;
}

这里可以发现，a1.p的地址与a2.p的地址是一样的，那么，我分配的内存，该由哪个释放呢？我释放了，另一个怎么办呢？

实际上，这种拷贝方式在STL的string里面肯定是要重写的，不能用位拷贝。

《深度探索C++对象模型》中，说class不展现出“bitwise copy semantics”有四种情况：

• 1，当class含有member object并且后者有一个copy constructor（声明或合成）
• 2，当class继承一个base class 而后者存在一个copy constructor的时候
• 3，当class声明了一个或多个virtual functions时
• 4，当class派生自一个继承串链，其中有一个或多个virtual base classes时

其实主要都是担心，指针在bitwise semantics下，随便复制可能会导致不可预料的错误

在这里说一下赋值函数与拷贝构造函数在触发上的区别：

当一个object从无到有时，触发的一定是拷贝构造函数，赋值函数只会在已有的object赋值时，才会触发

5，C++虚继承的黑科技

针对虚继承，可以坦承的一点就是

所有简单的东西，遇到虚继承，似乎都要单独拿出来讨论