深度探索C++对象模型第6章 执行期语意学

（一）对象的构造和析构（Object Construction and Destruction）
一般而言我们会把object尽可能放置在使用它的那个程序区段附近，这么做可以节省非必要的对象产生操作和摧毁操作。

全局对象
如果我们有以下程序片段：

Matrix identity
main()
{
    //identity 必须在此处被初始化
    Matrix m1=identity;
    ...
    return 0;
}

C++保证，一定会在main()函数中第一次用到identity之前，把identity构造出来，而在main()函数结束之前把identity摧毁掉。像identity这样的所谓global object如果有constructor和destructor的话，我们说它需要静态的初始化和内存释放操作。
C++程序中所有的global objects都被设置在程序的data segment中。如果显示指定给它一个值，此object将以该值为初值。否则object所配置到的内存内容为0。
在C语言中一个global object只能够被一个常量表达式（可在编译时期求其值得那种）设定初值。当然，constructor并不是常量表达式。虽然class object在编译时期可以被放置于data segment中并且内容为0，但constructor一直要到程序启动（startup）时才会实施。必须对一个“放置于program data segment中的object的初始化表达式”做评估（evaluate），这正是为什么一个object需要静态初始化的原因。

局部静态变量（Local Static Objects）
假设我们有以下程序片段：

const Matrix&
identity()
{
    static Matrix mat_identity;
    //...
    return mat_identity;
}

local static class object保证了什么样的语意？
1、mat_identity的constructor必须只能施行一次，虽然上述函数可能会被调用多次。
2、mat_identity的destructor必须只能施行一次，虽然上述函数可能会被调用多次。

编译器的策略之一就是，无条件地在程序起始（startup）时构造出对象来。然而这会导致所有的local static class objects都在程序起始时被初始化，即使它们所在的那个函数从不曾被调用过。因此，只在identity()被调用时才把mat_identity构造起来，是比较好的做法。具体做法如下：
首先，导入一个临时性对象以保护mat_identity的初始化操作。第一次处理identity()时，这个临时对象被评估为false，于是constructor会被调用，然后临时对象被改为true。这样就解决了构造的问题。而在相反的那一端，destructor也需要有条件地执行于mat_identity是否被构造起来，很简单，如果那个临时变量为true，就表示构造好了。困难的是，由于cfront产生C码，mat_identity对函数而言仍然是local，因此没办法在静态的内存释放函数中存取它。

新的规则要求编译单位中的static local class objects必须被摧毁——以构造的相反顺序摧毁。由于这些objects是在需要时才被构造（例如每一个含有static local class objects的函数第一次被进入时），所以编译时期无法预期其集合以及顺序。为了支持新的规则，可能需要对被产生出来的static class object保持一个执行期链表。

对象数组（Array of Objects）
假设我们有下列的数组定义：

Point konts[10]；

什么东西需要完成？如果Point既没有定义一个constructor也没有定义一个destructor，那么我们的工作不会比建立一个“内建（build-in）类型所组成的数组”更多，也就是我们只要配置足够内存以存储10个连续的Point元素即可。

然而Point的确定义了一个default destructor，所以这个destructor必须轮流施行于每一个元素之上。一般而言这是经由一个或多个runtime library函数达成的。在c_front中，我们使用一个被命名为vec_new()的函数，产生出以class objects构造而成的数组。比较新的编译器，包括Borland、Microsoft和Sun，则是提供两个函数，一个用来处理“没有virtual base class”的class，另一个用来处理“内含virtual base class”的class。后一个函数通常被称为vec_vnew()。函数类型通常如下(当然在各平台上可能会有些许差异)：

void*
vec_new(
    void *array,             //数组起始地址
    size_t elem_size,        //每一个class object的大小
    int elem_count,          //数组中元素个数
    void (*constructor)(void*),
    void (*destructor)(void*,char)
)

其中的constructor和destructor参数是这一class之default constructor和default destructor的函数指针。参数array持有的若不是具名数组的地址，就是0。如果是0，那么数组将经由应用程序的new运算符，被动态的置于heap中。Sun把“由class objects所组成的具名数组”和“动态配置而来的数组”的处理操作分为两个library函数：_vector_new2和_vector_con，它们各自拥有一个virtual base class函数实例。
参数elem_size表示数组中的元素个数。在vec_new()中，constructor施行于elem_count个元素之上。对于支持exception handling的编译器而言，destructor的提供是必要的。下面是编译器可能针对我们的10个Point元素所做的vec_new()调用操作：

Point konts[10];
vec_new(&knots,sizeof(Point),10,&Point::Point,0);

如果Point也定义了一个destructor，当konts的生命结束时，该destructor也必须施行于那10个Point元素身上。我想你不会惊讶，这是经由一个类似的vec_delete()(或是一个vec_vdelete()——如果classes 拥有virtual base classes的话)的runtime library函数完成的，其函数类型如下：

void*
vec_delete(
    void *array,             //数组起始地址
    size_t elem_size,        //每一个class object的大小
    int elem_count,          //数组中的元素个数
    void (*destructor)(void*,char)
)

有些编译器会另外增加一些参数，用以传递其他数值，以便能够有条件地导引vec_delete()的逻辑。在vec_delete()中，destructor被施行于elem_count个元素身上。
如果程序员提供一个或多个明显初值给一个由class objects组成的数组，像下面这样，会如何：

Point konts[10]=
{
    Point(),
    Point(1.0,1.0,0.5),
    -1.0
};

对于那些明显获得初值的元素，vec_new()不再有必要。对于那些尚未初始化的元素，vec_new()的施行方式就像面对“由class elements组成的数组，而该数组没有explicit initialization list”一样。因此上一个定义很可能被转换为：

Point konts[10];
//C++ 代码

//显式地初始化前3个元素
Point::Point(&konts[0]);
Point::Point(&konts[1],1.0,1.0,0.5);
Point::Point(&konts[2],-1.0,0.0,0.0);

//以vec_new初始化后的7个元素
vec_new(&knots+3,sizeof(Point),7,&Point::Point,0);

Default Constructor和数组
如果你想在程序中取出一个constructor的地址，是不可以的。当然啦，这是编译器在支持vec_new()时该做的事情。然而，经由一个指针来启动constructor，将无法（不被允许）存取default argument values。cfront所采用的方法是产生一个内部的stub constructor，没有参数。在其函数内调用由程序员提供的constructor，并将default参数值显示地指定过去（由于constructor的地址已被取得，所以它不能够成为一个inline）。

（二）new和delete运算符
运算符new的使用，看起来似乎是个单一运算，像这样：

int *pi=new int(5);

但事实上它是由两个步骤完成的：
1、通过适当的new运算符函数实例，配置所需的内存：

//调用函数库中的new运算符
int *pi=_new(sizeof(int));

2、将配置得来的对象设立初值：

*pi=5;

更进一步地说，初始化操作应该在内存配置成功(经由new运算符)后才执行：

//new 运算符的两个分离步骤
//given：int *pi=new int(5);

//重写声明
int *pi;
if(pi=_new(sizeof(int)))
    *pi=5;   //译注：成功了才初始化

delete运算符的情况类似。当程序员写下：

delete pi;

时，如果pi的值是0，C++语言会要求delete运算符不要有操作。因此编译器必须为此调用构造一层保护膜：

if(pi!=0)
    _delete(pi);

请注意pi并不会因此被自动清除为0，因此像这样的后继行为：

//没有良好的定义，但是合法
if(pi && *pi==5)...

虽然没有良好的定义，但是可能（也可能不）被评估为真。这是因为对于pi所指向之内存的变更或再使用，可能（也可能不）会发生。

pi所指对象的生命会因delete而结束。所以后继任何对pi的参考操作就不再保证有良好的行为，并因此被视为是一种不好的程序风格。然而，把pi继续当做一个指针来用，仍然是可以（虽然其使用受到限制），例如：

//ok:pi仍然指向合法空间
//甚至即使存储于其中的object已经不再合法
if(pi==sentine1)...

在这里，使用指针pi，和是使用pi所指的对象，其差别在于哪一个的生命已经结束了。虽然该地址上的对象不再合法，地址本身却仍然代表一个合法的程序空间。因此pi能够继续被使用，但只能在受限制的情况下，很像一个void*指针的情况。

以constructor来配置一个class object，情况类型。例如：

Point3d *origin=new Point3d;

被转换为：

Point3d *origin;
//C++伪码
if(origin = _new(sizeof(Point3d)))
    origin=Point3d::Point3d(origin);

如果实现出exception handing，那么转换结果可能会更复杂些：

//C++伪码
if(origin = _new(sizeof(Point3d)))
{
    try
    {
        origin=Point3d::Point3d(origin);
    }
    catch(...)
    {
        //调用delete library function以
        //释放new而配置的内存
        _delete(origin);

        //将原来的exception上传
        throw;
    }
}

在这里，如果以new运算符配置object，而其constructor抛出一个exception，配置得来的内存就会被释放掉。然后exception再被抛出去（上传）。

Destructor的应用极为类似。下面的式子：

delete origin；

会变成：

if(origin != 0)
{
    //C++伪码
    Point3d::~Point3d(origin);
    _delete(origin);
}

如果在exception handling的情况下，destructor应该被放在一个try区段中。exception handler会调用delete运算符，然后再一次抛出该exception。
一般的library对于new运算符的实现操作都很直截了当，但有两个精巧之处值得斟酌（请注意，以下版本并未考虑exception handling）：

extern void*
operator new(size_t size)
{
    if(size==0)
        size=1;
    void *last_alloc;
    while(!(last_alloc=malloc(size)))
    {
        if(_new_handler)
            (*_new_handler)();
        else
            return 0;
    }
    return last_alloc;
}

虽然这样写是合法的：

new T[0]；

但语言要求每一次对new的调用都必须传回一个独一无二的指针。解决此问题的传统方法是传回一个指针，指向一个默认为1-bytes的内存区域（这就是为什么程序代码中的size被设为1的原因）。这个实现技术的另一个有趣之处是，它允许使用者提供一个属于自己的_new_handler()函数。这正是为什么每一次循环都调用_new_handler()之故。

new运算符实际上总是以标准的C malloc()完成，虽然并没有规定一定得这么做不可。相同情况，delete运算符也总是以标准的C free()完成：

extern void 
operator delete(void *ptr)
{
    if(ptr)
        free((char*)ptr);
}

针对数组的new语意
当我们这没写：

int *p_array=new int[5];

时，vec_new()不会真正被调用，因为它的主要功能是把default constructor施行于class objects所组成的数组的每一个元素身上。倒是new运算符函数会被调用：

int *p_array=(int*) _new(5*sizeof(int));

相同情况，如果我们写：

//struct simple_aggr{float f1,f2;};
simple_aggr *p_aggr=new simple_aggr[5];

vec_new()也不会被调用。为什么？simple_aggr并没有定义一个constructor或destructor，所以配置数组以及清除p_aggr数组的操作，只是单纯地获得内存和释放内存而已。这些操作由new和delete运算符来完成就绰绰有余了。
然而如果class定义了一个default constructor，某些版本的vec_new()就会被调用，配置并构造class objects所组成的数组。例如这个算式：

Point3d *p_array=new Point3d[10];

通常会被编译为：

Point3d *p_array;
p_array=vec_new(0,sizeof(Point3d),10,&Point3d::Point3d,&Point3d::~Point3d);

在个别的数组元素构造过程中，如果发生exception，destructor就会被传递给vec_new()。只有已经构造妥当的元素才需要destructor的施行，因为它们的内存已经被配置出来了，vec_new()有责任在exception发生的时机把那些内存释放掉。

寻找数组维度，对于delete运算符的效率带来极大的冲击，所以才导致这样的妥协：只有在中括号出现时，编译器才寻找数组的维度，否则它便假设只有单独一个object要被删除。如果程序员没有提供必须的中括号，那么就只有第一个元素会被析构。其他的元素仍然存在——虽然其相关的内存已经被要求归还了。

施行于数组上的destructor，如我们所见，是根据交给vec_delete()函数的“被删除之指针类型的destructor”。这很明显并非我们所希望。此外，每一个元素的大小也一并被传递过去。这就是vec_delete()如何迭代走过每一个数组元素的方式。
基本上，程序员必须迭代走过整个数组，把delete运算符实施于每一个元素身上。以此方式，调用操作将是virtual。

Placement Operator new的语意
有一个预先定义好的重载的（overloaded）new运算符，称为placement operator new。它需要第二个参数，类型为void*。调用方式如下：

Point2w *ptw = new(arena) Point2w;

其中arena指向内存中的一个区块，用以放置新产生出来的Point2w object。这个预先定义好的placement operator new的实现方式简直是出乎意料的平凡。它只要将“获得的指针（arena）”所指的地址传回即可：

void* operator new(size_t,void* p)
{
    return p;
}

如果它的作用只是传回其第二个参数，那么它有什么价值呢？也就是说，为什么不简单地这么写算了：

Point2w *ptw=(Point2w*)arena;

事实上这只是所发生的操作的一半而已。另外一半无法由程序员产生出来。想想这些问题：
1、什么是使placement new operator能够有效运行的另一半扩充（而且是“arena的显式指定操作（explicit assignment）”所没有提供的）？
2、什么是arena指针的真正类型？该类型暗示了什么？
Placement new operator所扩充的另一半是将Point2w constructor自动实施于arena所指的地址上：

//C++伪码
Point2w *ptw=(Point2w*) arena;
if(ptw != 0)
    ptw->Point2w::Point2w();

这正是使placement operator new威力如此强大的原因。这一份代码决定objects被放置在哪里；编译系统保证object的constructor会施行于其上。

然而却有一个轻微的不良行为。你能得出来吗？下面是一个有问题的程序片段：

//让arena成为全局性定义
void fooBar()
{
    Point2w *p2w=new(arena) Point2w;
    //...do it...
    //...now manipulate a new object...
    p2w=new(arena) Point2w;
}

如果placement operator在原已存在的一个object上构造新的object，而该既存的object有个destructor，这个destructor并不会被调用。调用该destructor的方法之一是将那个指针delete掉。不过在此例中如果你像下面这么做，绝对是个错误：

//以下并不是实施destructor的正确方法
delete p2w；
p2w = new(arena) Point2w;

是的，delete运算符会发生作用，这的确是我们所期待的。但是它也会释放由p2w所指的内存，这却不是我们所希望的，因为下一个指令就要用到p2w了。因此，我们应该显示地调用destructor并保留存储空间以便再使用：

//施行destructor的正确方法
p2w->~Point2w;
p2w = new(arena) Point2w;

剩下的唯一问题是一个设计上的问题：在我们的例子中对placement operator的第一次调用，会将新object构造于原已存在的object之上吗？还是会构造于全新地址上？也就是说，如果我们这样写：

Point2w *p2w = new (arena) Point2w;

我们如何知道arena所指的这块区域是否需要先析构？这个问题在语言层面上并没有解答。一个合理的风俗是令执行new的这一端也要负起destructor的责任。

另一个问题关系到arena所表现的真正指针类型。C++ Standard说它必须指向相同类型的class，要不就是一块“新鲜”内存，足够容纳该类型的object。注意，derived class很明显并不在被支持之列。对于一个derived class，或是其他没有关联的类型，其行为虽然并非不合法，却也未经定义。

“新鲜”的存储空间可以这样配置而来：

char *arena = new char[sizeof(Point2w)];

相同类型的object则可以这样获得：

Point2w *arena = new Point2w;

不论哪一种情况，新的Point2w的存储空间的确是覆盖了arena的位置，而此行为已在良好控制之下。然而，一般而言，placement new operator并不支持多态。被交给new的指针，应该适当地指向一块预先配置好的内存。如果derived class比其base class大，例如：

Point2w *p2w = new (arena) Point3w;

Point3w的constructor将会导致严重的破坏。

（三）临时性对象（Temporary Objects）
临时性对象的被摧毁，应该是对完整表达式求值过程中的最后一个步骤。该完整表达式造成临时对象的产生。
如果一个临时性对象被绑定于一个reference，对象将残留，直到被初始化之reference的生命结束，或直到临时对象的生命范畴（scope）结束——视哪一种情况先到达而定。

参考资料：《深度探索C++对象模型》