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在《深度解讀《深度探索C++對(duì)象模型》之C++對(duì)象的內(nèi)存布局》這篇文章中已經(jīng)詳細(xì)分析過(guò)C++的對(duì)象在經(jīng)過(guò)封裝后，在各種情況下的內(nèi)存布局以及增加的成本。本文將進(jìn)一步分析C++對(duì)象在封裝后，數(shù)據(jù)成員的存取的實(shí)現(xiàn)手段及訪(fǎng)問(wèn)的效率。在這里先拋出一個(gè)問(wèn)題，然后帶著問(wèn)題來(lái)一步一步分析，如下面的代碼：

class Point {};
Point p;
Point *pp = &p;
p.x = 0;
pp->x = 0;

上面的代碼中，對(duì)數(shù)據(jù)成員x的存取成本是什么？通過(guò)對(duì)象p來(lái)存取成員x和通過(guò)對(duì)象的指針pp來(lái)存取成員x的效率存在差異嗎？要搞清楚這個(gè)問(wèn)題，得看具體的Point類(lèi)的定義以及成員x的聲明方式。Point類(lèi)可能是一個(gè)獨(dú)立的類(lèi)（也就是沒(méi)有從其他類(lèi)繼承而來(lái)），也可能是一個(gè)單一繼承或者多重繼承而來(lái)的類(lèi)，甚至也有可能它的繼承父類(lèi)中有一個(gè)是虛擬基類(lèi)（virtual base class），成員x的聲明可能是靜態(tài)的或者是非靜態(tài)的。下面的幾節(jié)將根據(jù)不同的情況來(lái)一一分析。

類(lèi)對(duì)象的數(shù)據(jù)成員的存取效率分析系列篇幅比較長(zhǎng)，所以根據(jù)不同的類(lèi)的定義劃分為幾種情形來(lái)分析，這篇先來(lái)分析靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的情況。

靜態(tài)數(shù)據(jù)成員在編譯器里的實(shí)現(xiàn)

在前面的文章中說(shuō)過(guò)，類(lèi)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員是跟類(lèi)相關(guān)的，而非跟具體的對(duì)象有關(guān)，它存儲(chǔ)在對(duì)象之外，具體的存儲(chǔ)位置是在程序中的數(shù)據(jù)段中。它其實(shí)跟一個(gè)全局變量沒(méi)什么區(qū)別，在編譯期間編譯器就已經(jīng)確定好了它的存儲(chǔ)位置，所以能夠確定它的地址?？匆幌孪旅娴拇a：

#include <cstdio>

int global_val = 1;

class Base {
public:
    int b1;
    static int s1;
};
int Base::s1 = 1;

int main() {
    static int static_var = 1;
    int local_var = 1;
    Base b;
    printf("&global_val = %p\n", &global_val);
    printf("&static_var = %p\n", &static_var);
    printf("&local_var = %p\n", &local_var);
    printf("&b.b1 = %p\n", &b.b1);
    printf("&b.s1 = %p\n", &b.s1);

    return 0;
}

程序輸出的結(jié)果：

&global_val = 0x102d74000
&static_var = 0x102d74008
&local_var = 0x16d0933f8
&b.b1 = 0x16d0933f4
&b.s1 = 0x102d74004

可以看到全局變量global_val和局部靜態(tài)變量static_var以及類(lèi)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員s1的地址是順序且緊密排列在一起的，而且跟其他的兩個(gè)局部變量的地址相差較大，說(shuō)明這幾個(gè)都是一起存儲(chǔ)在程序的數(shù)據(jù)段中的。類(lèi)中的非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員b1跟局部變量local_var一樣，是存放在棧中的。

可以進(jìn)一步看看生成的匯編代碼，看一下是怎么存取靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的，下面節(jié)選部分的匯編代碼：

main:                            # @main
    # 略...
    lea     rdi, [rip + .L.str]
    lea     rsi, [rip + global_val]
    mov     al, 0
    call    printf@PLT
    lea     rdi, [rip + .L.str.1]
    lea     rsi, [rip + main::static_var]
    mov     al, 0
    call    printf@PLT
  	# 略...
    lea     rdi, [rip + .L.str.4]
    lea     rsi, [rip + Base::s1]
    mov     al, 0
    call    printf@PLT
    # 略...
    ret
global_val:
    .long   1        # 0x1

Base::s1:
    .long   1        # 0x1

main::static_var:
    .long   1        # 0x1

從匯編代碼中看到，global_val、Base::s1和main::static_var是定義在數(shù)據(jù)段中的，在代碼中直接使用它們的地址，如：

lea rsi, [rip + Base::s1]

則是將Base::s1的地址加載到rsi寄存器中，作為參數(shù)傳遞給printf函數(shù)。這也證明了它跟全局變量，普通的靜態(tài)變量是沒(méi)有區(qū)別的。結(jié)論就是，類(lèi)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的存取方式是直接通過(guò)一個(gè)具體的地址來(lái)訪(fǎng)問(wèn)的，跟全局變量毫無(wú)區(qū)別，所以效率上也跟訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)全局變量一樣。

通過(guò)不同方式存取靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的效率差異

訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員可以通過(guò)類(lèi)名來(lái)訪(fǎng)問(wèn)，如Base::s1，也可以通過(guò)對(duì)象來(lái)訪(fǎng)問(wèn)，如b.s1，甚至是通過(guò)指針來(lái)訪(fǎng)問(wèn)，如pb->s1。那么這幾種訪(fǎng)問(wèn)方式有什么差別？或者說(shuō)是否有效率上的損失？其實(shí)這幾種訪(fǎng)問(wèn)方式本質(zhì)上沒(méi)有任何差別，編譯器會(huì)轉(zhuǎn)換成如Base::s1一樣的方式，后面的兩種方式只是語(yǔ)法上的方便而已，看一下匯編代碼就一目了然。把上面的例子多余的代碼刪除掉，只留下Base類(lèi)，然后main函數(shù)中增加幾行打印，如下：

Base b;
Base *pb = &b;
printf("&Base::s1 = %p\n", &Base::s1);
printf("&b.s1 = %p\n", &b.s1);
printf("&pb->s1 = %p\n", &pb->s1);

輸出的結(jié)果當(dāng)然是同一個(gè)地址了，下面是節(jié)選的匯編代碼：

lea     rdi, [rip + .L.str]
lea     rsi, [rip + Base::s1]
mov     al, 0
call    printf@PLT
lea     rdi, [rip + .L.str.1]
lea     rsi, [rip + Base::s1]
mov     al, 0
call    printf@PLT
lea     rdi, [rip + .L.str.2]
lea     rsi, [rip + Base::s1]
mov     al, 0
call    printf@PLT

可以看到C++中的幾行不同的訪(fǎng)問(wèn)方式在匯編代碼中都轉(zhuǎn)換為同樣的代碼：

lea rsi, [rip + Base::s1]

繼承而來(lái)的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的存取分析

我們已經(jīng)知道類(lèi)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員是跟對(duì)象無(wú)關(guān)的，所有的對(duì)象都共享同一個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)成員。但是如果繼承而來(lái)的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員又是怎樣的呢？假如定義一個(gè)Derived類(lèi)，它是Base類(lèi)的派生類(lèi)，那么靜態(tài)數(shù)據(jù)成員s1的情況又是如何？其實(shí)無(wú)論繼承多少次，靜態(tài)數(shù)據(jù)成員都只有一份，無(wú)論是Derived類(lèi)還是Base類(lèi)，它們都共享同一個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)成員s1，可以通過(guò)下面的例子來(lái)驗(yàn)證一下：

#include <cstdio>

class Base {
public:
    int b1;
    static int s1;
};
int Base::s1 = 1;

class Derived: public Base {};

int main() {
    Derived d;
    printf("&d.s1 = %p\n", &d.s1);
    printf("d.s1 = %d\n", d.s1);
    d.s1 = 2;

    Base b;
    printf("&b.s1 = %p\n", &b.s1);
    printf("b.s1 = %d\n", b.s1);

    return 0;
}

程序輸出的結(jié)果：

&d.s1 = 0x10028c000
d.s1 = 1
&b.s1 = 0x10028c000
b.s1 = 2

可以看到通過(guò)Derived類(lèi)的對(duì)象d和Base類(lèi)的對(duì)象b訪(fǎng)問(wèn)到的都是同一個(gè)地址，通過(guò)對(duì)象d修改s1后，通過(guò)對(duì)象b可以看到修改后的值。

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