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C++模版的编译链接过程

时间:2014-12-14 21:16:46      阅读:200      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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  模版(template)设计的初衷,是设计一种自动实例化机制,不需要使用者参与,编译器可根据使用者提供的模版参数再套用类的定义来实例化。所谓实例化,除了包含对于程序变量的实例化,即开辟空间并设置某些变量的初值(构造函数)以及指针(如vptr)以及其他支持(virtual base class offset),还有对于函数的实例化,即根据函数的定义生成机器指令,并在函数调用处提供函数的入口地址。简单来看,普通类和模版类的区别,在于普通类实例化时有较为固定的空间开销(除非类似new string(n)这样的实例化)。

     为了实现这样的“自动实例化”,就需要许多操作都被推迟到模板类及其成员函数真正被使用的时候。然而就是这个要求,带来了许多问题:

         1  编译器如何找到类那些成员函数?

        这一点和普通类一样啦,如果函数定义在类内,就容易了;如果在同文件里的类外,根据::符号也能轻易发现;如果在其他文件,则需要借助文件的命名了,比如vector.h里声明的函数,必须在vector.cpp里定义;

        在编译的过程中,一旦类成员函数被发现,则会作如下修改:在参数列表的头部加上为this指针准备的指针域,并将函数按照一定规则重命名以便能识别函数的所有者、是否是static、是否是const等信息。

        一个成员函数(包括重载运算符),其原型最终一定是这个样子:

       

return_type function_name(class_name * ptr, arg_list)

 

       或者,如果打开NRV优化:

      

 void function_name(class_name * ptr, return_type & __reult, arg_list)

 

 

       2  如何只实例化出被调用的成员函数?

       有些编译器的办法是对所有的函数,深度地检查语法语义并最终实例化出来,然后借助链接器把实际使用的函数链接进去,其他函数就这样被无情抛弃,然而G++似乎不是这样做的:G++检查实际用了哪些函数,然后针对实际使用的函数进行深度的语法语义的检查和实例化。

       是的,G++对于没使用的函数几乎一概不管,即使其中有明显的错误,有例为证:  

 1 template <class T>
 2 class C
 3 {
 4 public:
 5     int cc;
 6     void f_has_error();
 7     void f_has()
 8     {
 9     }
10 };
11 
12 template <class T>
13 void C<T>::f_has_error()
14 {
15     this->jgfhvgkfhgfkgjhgjhjghjfhghjghjgjkgkghjhj;
16 }

        在这个例子中,模版类有两个函数,其中一个是正常的,另一个则使用了一个未定义的变量。如果C是普通类,那么一定会报错的,但是C现在是模版类,C的数据成员和函数成员的实例化都被推迟到了被使用的时候。所以,当main函数这么写:

main()
{
    C<int> c;
    c.f_has();
}

       的时候,编译器毫无怨言。这是个不好的事情,毕竟编译器对于有错的代码没有给出任何提示。不过,编译器不是什么都不检查,例如如果这么写:

template <class T>
void C<T>::f_has_error()
{
   sjdhakhflkashnfsdhaghs;
    this->jgfhvgkfhgfkgjhgjhjghjfhghjghjgjkgkghjhj;
}

    在这个例子中f_has_error直接用了个没声明的变量,“哦?这里捡到一只变量叫做sjdhakhflkashnfsdhaghs,这是个什么(翻一翻符号表)?不知道,报错!”,于是编译器还是发现了这个错误。而在之前的例子中,编译器看到了this指针。“哦?这是个指针,使用者访问了this指向的实例的某个内部成员,OK pass。” 至于那个成员叫做什么在哪里放着?一概不管。

 

      3  编译器如何避免对于一个数据成员或成员函数的定义,在多个.o文件中被实例化

         和1类似,或者通通实例化(实例化意味着将对变量和函数做深度的检查),然后借助链接阶段来取舍;或者通过模拟链接操作,找出实际上需要实例化的是哪些成员。

 

      4  模版声明区(scope of template declaration)和模版实例化区(scope of template instantiation)中的同名函数的抉择

       类都有声明的代码以及使用它的代码,因此上面这两个概念很容易理解。当有同名的函数出现在这两个区里面的时候,编译器如何决定用哪一个函数呢?

       沿用《Inside the C++ object》书中的代码,现在假设类的声明区有如下代码:

extern double foo(double v)


template<class T>
class ScopeRules
{
    int _val;
    T _member;
public:
    void invariant()
    {
        _memner = foo( _val );
    }
    T type_independent()
    {
         return foo(_member);
    }
};

 

    而在实例化区有如下代码

   

extern int foo(int);

ScopeRules<int> sr0;

....

sr0.invariant();
sr0.type_independent();

    在实例化区中的两个函数调用,分别调用了哪个foo呢?编译器解析时,将按照函数的参数是否和class T有关来决策:如果函数的参数和class T有关,则使用实例化区里的函数,否则使用声明区里的函数。在上面的例子中,sr0.invariant()中foo函数的参数是_val,而_val是int类型变量,于是和T无关,于是实际被调用的将是声明区里的double foo(double),即使foo的参数是double而不是int。而在sr0.type_independent()语句中,type_independent实例实际上是:

int _member;
....

int type_dependent()
{
    return foo(_memble);
}

    foo的参数是_member,而_member的类型依赖于T,因此使用实例化区的foo。这样意味着,编译器要维护两个scope context:

          1  模版声明区,专注于一般的template class

          2  模版实例化区,专注于特定的template class object

    至于两个foo的返回值?Oh nonono,和函数的重载一样,编译器根本不管返回值这个东西(但是为什么不管呢?),编译器只在乎函数原型(函数名、参数列表)。个人猜测,这是因为函数的返回值往往用来赋值给某变量(除非仅仅是为了生成个临时变量),然而这个变量的类型的范围可就广了,比如对于POD,int可以赋值给char、short、float等多种类型的变量,即使会因为长度不懂而被截断也不管;而对于类,基类和派生类之间在类型转换符static_cast的帮助下也可以相互赋值。那么对于int foo()和double foo(),如果调用者这么写:char c = (char)foo(),编译器当然就不知道调用者到底是几个意思了。

 

    总而言之,编译器对模版做了一件事:按需实例化。而为了实现这个按需实例化,里面的办法却并不简单。

 

C++模版的编译链接过程

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原文地址:http://www.cnblogs.com/zhchngzng/p/4162976.html

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