c++如何绑定一个类与类内成员的关系

🕗 发布于 2024-11-11 23:39 c++ java jvm

在 C++ 中，成员函数和成员变量的归属关系（即某个成员属于哪个类）是通过编译器的多种机制和语言特性来实现和管理的。理解这些机制有助于更深入地掌握 C++ 的面向对象特性、内存管理以及编译过程。以下是 C++ 如何确定某个成员函数或成员变量属于特定类的详细解释。

一、类定义与作用域解析

1. 类定义

在 C++ 中，类的定义明确地声明了其成员函数和成员变量。例如：

class MyClass {
public:
    int memberVar;

    void memberFunction() {
        // 函数实现
    }
};

在上述代码中，memberVar 和 memberFunction 被明确地定义为 MyClass 的成员。

2. 作用域解析

C++ 使用作用域解析机制来确定成员的归属。当在类外部访问成员时，必须使用作用域解析运算符 :: 来指定成员所属的类。例如：

void MyClass::memberFunction() {
    // 函数实现
}

这里，MyClass::memberFunction 明确指出了 memberFunction 是 MyClass 的成员函数。

3. 命名空间与作用域

C++ 中的命名空间（namespace）进一步帮助组织和管理类及其成员的命名，避免命名冲突。成员的查找遵循从局部作用域到全局作用域的规则，确保成员被正确地解析到所属的类。

二、编译器的符号表与名称查找

1. 符号表（Symbol Table）

编译器在编译过程中会维护一个符号表，用于记录类、成员函数、成员变量及其属性的信息。当编译器遇到对成员的引用时，会在符号表中查找相应的条目，确认其所属的类及其类型。

2. 名称查找与重载解析

C++ 支持函数重载和运算符重载，这意味着同一个类中可以有多个同名但参数不同的成员函数。编译器通过重载解析来确定调用的是哪个具体的成员函数。这一过程涉及：

名称查找：确定成员函数或变量的候选列表。
参数匹配：根据传递的参数类型和数量，选择最匹配的重载版本。

例如：

class MyClass {
public:
    void func(int);
    void func(double);
};

int main() {
    MyClass obj;
    obj.func(10);    // 调用 void func(int)
    obj.func(10.5);  // 调用 void func(double)
}

编译器通过参数类型来解析调用的是哪个 func。

三、虚函数与多态性

1. 虚函数表（vtable）与虚函数表指针（vptr）

当类中包含虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表（vtable），这是一个指针数组，存储指向虚函数的地址。每个对象包含一个隐藏的指针（vptr），指向其所属类的 vtable。

class Base {
public:
    virtual void show() { std::cout << "Base show" << std::endl; }
    virtual ~Base() {}
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() override { std::cout << "Derived show" << std::endl; }
};

在上述例子中：

Base 类有一个虚函数 show，编译器为其生成一个 vtable，包含 Base::show 的地址。
Derived 类重写了 show，其 vtable 包含 Derived::show 的地址。

2. 动态绑定

通过 vptr，当使用基类指针或引用调用虚函数时，程序会根据 vptr 指向的 vtable 动态地决定调用哪个版本的函数，实现多态性。

int main() {
    Base* b = new Derived();
    b->show();  // 调用 Derived::show
    delete b;
    return 0;
}

在这个例子中，尽管 b 是 Base 类型的指针，但由于它指向一个 Derived 对象，b->show() 会调用 Derived::show。

3. 内存布局

具有虚函数的类的对象内存布局通常如下：

+---------------------+
|       vptr          |  // 指向虚函数表的指针
+---------------------+
|   成员变量1         |
+---------------------+
|   成员变量2         |
+---------------------+

vptr 通常位于对象的开头部分，是编译器自动管理的隐藏成员。

四、静态成员与全局数据段

1. 静态成员变量

静态成员变量属于类，而不是类的实例。所有类的对象共享同一个静态成员变量。静态成员变量存储在数据段（Data Segment）中，而不是在每个对象的内存中。

class MyClass {
public:
    static int staticVar;
};

int MyClass::staticVar = 0;

在这个例子中，staticVar 存储在数据段，所有 MyClass 的对象共享这个变量。

2. 静态成员函数

静态成员函数也属于类，而不是类的实例。它们不依赖于对象的状态，可以在没有对象的情况下调用。

class MyClass {
public:
    static void staticFunc() {
        std::cout << "Static Function" << std::endl;
    }
};

int main() {
    MyClass::staticFunc(); // 无需对象实例
    return 0;
}

五、编译器的名称修饰（Name Mangling）

为了支持函数重载和其他 C++ 特性，编译器会对函数名进行名称修饰（Name Mangling），生成唯一的符号名。这确保了链接器能够正确地识别和绑定成员函数。

例如：

class MyClass {
public:
    void func(int);
    void func(double);
};

编译器可能将 func(int) 和 func(double) 分别编译为不同的符号，如 _ZN7MyClass4funcEi 和 _ZN7MyClass4funcEd。

这种名称修饰机制确保了不同类型参数的成员函数可以共存，并被正确地调用。

六、示例分析

让我们通过一个完整的示例来综合理解上述概念：

#include <iostream>

class Base {
public:
    int baseVar;

    Base() : baseVar(0) {}

    virtual void show() {
        std::cout << "Base show: " << baseVar << std::endl;
    }

    virtual ~Base() {}
};

class Derived : public Base {
public:
    int derivedVar;

    Derived() : derivedVar(100) {}

    void show() override {
        std::cout << "Derived show: " << derivedVar << std::endl;
    }
};

int main() {
    Derived d;
    Base* bPtr = &d;

    bPtr->show(); // 调用 Derived::show，通过 vptr 动态绑定

    // 访问成员变量
    bPtr->baseVar = 10;
    // bPtr->derivedVar = 20; // 错误：Base 类指针无法访问 Derived 类的成员

    std::cout << "Base var: " << bPtr->baseVar << std::endl;
    // std::cout << "Derived var: " << bPtr->derivedVar << std::endl; // 错误

    return 0;
}

分析：

类定义与成员归属：
- Base 类有成员变量 baseVar 和虚函数 show。
- Derived 类继承自 Base，并有自己的成员变量 derivedVar，重写了虚函数 show。
对象的内存布局：
- 对象 d 的内存布局包括：
  - vptr 指向 Derived 类的 vtable。
  - baseVar 来自 Base 类。
  - derivedVar 来自 Derived 类。
动态绑定：
- 通过 Base* bPtr = &d;，bPtr 指向 Derived 对象。
- 调用 bPtr->show(); 时，实际调用的是 Derived::show，这是通过 vptr 指向的 Derived 的 vtable 实现的。
成员访问：
- bPtr 是 Base 类型的指针，只能访问 Base 类的成员，如 baseVar。
- 试图通过 bPtr 访问 Derived 类的成员变量 derivedVar 会导致编译错误，因为 Base 类中不存在该成员。

七、总结

C++ 通过以下机制和特性来确定成员函数和成员变量的归属关系：

类定义与作用域：成员函数和成员变量在类定义中被明确声明，作用域解析确保了它们的归属。
编译器符号表与名称查找：编译器使用符号表和名称查找规则来解析和绑定成员。
虚函数表与虚函数表指针：支持多态性，确保通过基类指针调用派生类的重写函数。
静态成员的存储管理：静态成员变量和静态成员函数与类本身关联，存储在数据段中。
名称修饰：支持函数重载和链接，确保不同成员的唯一性。

通过这些机制，C++ 能够有效地管理和区分类的成员，支持复杂的面向对象编程特性，同时确保类型安全和高效的内存管理。

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_45993770/article/details/143688595

免责声明：本站文章内容转载自网络资源，如本站内容侵犯了原著者的合法权益，可联系本站删除。更多内容请关注自学内容网（zxcms.com）！

上一篇：20241111_室内定位
下一篇：【SpringBoot】ThreadLocal线程空间上下文使用

OPC学习笔记
3. 解决前，读取字符串：165℃。2. 解决后，读取字符串：你好。解决后，读取字符串，165℃。
阅读更多2024-11-15
【秋招笔试-支持在线评测】11.06花子秋招(已改编)-三语言题解
🍭 大家好这里是，一起备战大厂笔试💻 ACM金牌团队🏅️ | 多次AK大厂笔试｜大厂实习经历✨ 本系列打算持续跟新春秋招笔试题。
阅读更多2024-11-15
技术整合与生态构建：Lyft与Mobileye引领自动驾驶新纪元
而Lyft与Mobileye的合作，正是抓住了这一市场趋势，通过提供高质量、便捷的服务，进一步满足了用户的需求，推动了自动驾驶出行服务的商业化进程。此次合作，Mobileye将把其最新的人工智能技术进
阅读更多2024-11-15
vue2在el-dialog打开的时候使该el-dialog中的某个输入框获得焦点方法总结
vue2在el-dialog打开的时候使该el-dialog中的某个输入框获得焦点方法总结
阅读更多2024-11-15
【无标题】
Dataset增加是增加示例还是运用原先的数据库，Database增加是新加一个全新的数据库。Dataset里面是各种数据库模型示例可以点击然后点击右侧的Video进行查看示例。需注意的是，当界面关闭
阅读更多2024-11-15
Andriod Studio 开发技巧
代码展开/收起：command + shift + （-+）全局代碼搜索：command + shift + F文件搜索：command + shift + o清理和重新获取依赖： flutter c
阅读更多2024-11-15
专题十八_动态规划_斐波那契数列模型_路径问题_算法专题详细总结
这个时候，不但要多开一行，还要多开两列，将左右两列都设置成INT_MAX，因为本来这两列是不存在的，但是为了在遍历上一行的三个位置的时候会出现越界情况，所以，多开两列，设置成最大值，这样就不会出现越界
阅读更多2024-11-15
C++copy memcpy strcpy
InputIt和OutputIt可以是迭代器类型也可以是指针类型first指向数组或者容器的第一个元素位置，last指向最后一个元素的下一个位置，遵循左闭右开原则，d_first指向复制产出对象第一个
阅读更多2024-11-15
OpenCV3.4.0 添加contrib模块过程记录
结束后将INSTALL设为启动项目，再次生成，所有库文件会被打包到build\install\x64\vc15\lib文件夹中。然后输入cd G:\Temp\opencv3.4.0\build\in
阅读更多2024-11-15
去中心化联邦学习与TinyML联合调查：群学习简介
因此，大多数工作将模型存储在去中心化的方式中（例如IPFS），并将哈希信息保存到区块链中，但这需要额外的努力来保证保存模型的可靠性。群学习（SL）是一种去中心化的联邦学习范式，它通过结合边缘计算方法和
阅读更多2024-11-15