C++函数编译原理和成员函数的实现

对象的内存中只保留了成员变量，除此之外没有任何其他信息，程序运行时不知道 stu 的类型为 Student，也不知道它还有四个成员函数 setname()、setage()、setscore()、show()，C++ 究竟是如何通过对象调用成员函数的呢？

C++函数的编译

C++和C语言的编译方式不同。C语言中的函数在编译时名字不变，或者只是简单的加一个下划线_（不同的编译器有不同的实现），例如，func() 编译后为 func() 或 _func()。

而C++中的函数在编译时会根据它所在的命名空间、它所属的类、以及它的参数列表（也叫参数签名）等信息进行重新命名，形成一个新的函数名。这个新的函数名只有编译器知道，对用户是不可见的。对函数重命名的过程叫做名字编码（Name Mangling），是通过一种特殊的算法来实现的。

Name Mangling 的算法是可逆的，既可以通过现有函数名计算出新函数名，也可以通过新函数名逆向推演出原有函数名。Name Mangling 可以确保新函数名的唯一性，只要函数所在的命名空间、所属的类、包含的参数列表等有一个不同，最后产生的新函数名也不同。

如果你希望看到经 Name Mangling 产生的新函数名，可以只声明而不定义函数，这样调用函数时就会产生链接错误，从报错信息中就可以看到新函数名。请看下面的代码：

#include <iostream>
using namespace std;

void display();
void display(int);
namespace ns {
  void display();
}
class Demo {
public:
  void display();
};
int main() {
  display();
  display(1);
  ns::display();
  Demo obj;
  obj.display();
  return 0;
}

该例中声明了四个同名函数，包括两个具有重载关系的全局函数，一个位于命名空间 ns 下的函数，以及一个属于类 Demo 的函数。它们都是只声明而未定义的函数。

在 VS 下编译源代码可以看到类似下面的错误信息：

小括号中就是经 Name Mangling 产生的新函数名，它们都以?开始，以区别C语言中的_。

__cdecl，__thiscall是函数调用约定，也就是告诉编译器用于建栈，参数压栈以及获得返回值的规则。

成员变量、成员函数的存储

成员变量：C++会将class中的成员变量提取出来放在栈区的一个同名的struct里面，与struct有相同的内存布局和字节对齐方式。

成员函数：将成员函数提取出来放在代码区，编译成员函数时要额外添加一个参数，把当前对象的指针传递进去，通过指针来访问成员变量。

静态成员函数：将静态成员函数放在全局静态区。

下图是C++内部编译实现：

成员函数的调用

从上图可以看出，成员函数最终被编译成与对象无关的全局函数。

如果成员函数中使用到了成员变量该怎么办呢？成员变量的作用域不是全局，不经任何处理就无法在函数内部访问。

C++规定，编译成员函数时要额外添加一个参数，把当前对象的指针传递进去，通过指针来访问成员变量。

假设 Demo 类有两个 int 型的成员变量，分别是 a 和 b，并且在成员函数 display() 中使用到了，如下所示：

void Demo::display() {
  cout << a << endl;
  cout << b << endl;
}

那么编译后的代码类似于：

void new_function_name(Demo * const p) {
  //通过指针p来访问a、b
  cout << p->a << endl;
  cout << p->b << endl;
}

使用​​obj.display()​​调用函数时，也会被编译成类似下面的形式：

// obj.display()
new_function_name(&obj);

这样通过传递对象指针就完成了成员函数和成员变量的关联。这与我们从表明上看到的刚好相反，通过对象调用成员函数时，不是通过对象找函数，而是通过函数找对象。

总结：

编译器通过指针来访问成员变量，指针指向哪个对象就使用哪个对象的数据；编译器通过指针的类型来访问成员函数，指针属于哪个类的类型就使用哪个类的函数。

最后需要提醒的是，Demo * const p中的 const 表示指针不能被修改，p 只能指向当前对象，不能指向其他对象。