C++编译器 - 解析类成员的名称

Question

当编译器看到这段代码时：

SomeClass foo;
int x = foo.bar;

在检索bar的值时，它是通过什么过程进行的？即，它是否查看表示类定义的某些数据结构？如果是这样，那么这个数据结构是在编译时还是运行时生成的？

- theactiveactor

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请注意，以下所有答案（包括我的）都应被视为“通常情况下，在典型的编译器中，这是发生的事情”。与几乎所有关于C++实现的事情一样，真正的答案是，“完全取决于编译器编写者，只要程序运行时得出正确的答案，他们可以随心所欲地做”。在应用恶魔般的优化之前，下面描述的是最明显、最合理的方法。 - Steve Jessop

Answer 1

编译器知道foo的地址，该地址有足够的空间存储成员变量(sizeof(SomeClass))，其中可能包括一些填充。

它知道`bar在类中的某个位置(通常是它们被声明的顺序，加上一些其他魔法，如继承)，然后跳转到该偏移量。

也就是说：

struct SomeClass
{
    short s;
    float f;
    int bar;
    char *c;
}

// pseudo-code:
&SomeClass.bar == (&SomeClass) + sizeof(short) + sizeof(float);

运行时，它获取数据并将其分配给x

- GManNickG

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编译器会保存foo的地址 - 通常是相对于某个栈指针的偏移量，因为foo是一个自动变量。 - Steve Jessop

这在技术上是不准确的。编译器通常不会将foo.bar分配给x。编译器会生成机器指令，在运行时将foo.bar分配给x。 - JSBձոգչ

那就是我想表达的意思...我想我会在运行时添加，尽管我认为那应该是暗示的。 - GManNickG

由于SomeClass是POD，因此“&foo.bar == &foo + offsetof(SomeClass, bar)”也可以工作。@OP：请注意，上述是一个简化的情况。当您涉及多态类（带有其虚拟表）和优化编译器来处理类布局时，它会变得更加复杂。请参见：https://dev59.com/HXNA5IYBdhLWcg3wAI3d - outis

@GMan：通常在编译时，编译器只知道偏移量。通常操作系统会在运行时提供堆栈的实际地址。显然，存在一些体系结构，其中堆栈映射到固定的虚拟（甚至物理）地址，因此编译器可以知道实际地址。但我认为这不应该被视为常态。 - Steve Jessop

Answer 2

在编译时，编译器会有一些数据结构，告诉它如何访问SomeClass的每个成员。对于简单情况，它只是一个偏移量，但如果你有非平凡的继承，可能会更复杂。

为了处理您的表达式，编译器查阅这个内部数据，并（最终）发出适当的机器代码。到运行时，这个结构将被丢弃，剩下的只是从foo地址开始执行所需操作的代码。但是，如果你有一个指向bar的成员指针，那么如何访问bar成员的细节以某种方式封装在该指针值中（可能是一个偏移量，也可能更复杂）。

- Steve Jessop

Answer 3

这个过程始于编译器发现 SomeClass 的定义。基于该定义，它构建了一个内部结构，其中包含 SomeClass 中字段的类型以及方法代码的位置。

当你写下 SomeClass foo; 时，编译器会找到对应于 SomeClass 的 构造函数 的代码，并创建调用该代码的机器指令。在下一行中，你写下 int x = foo.bar。这里编译器会写出机器指令来为 int 分配堆栈空间，然后查看其 SomeClass 数据结构。该数据结构将告诉它从 foo 对象开始的 bar 的字节偏移量。编译器然后会写出机器码将与 bar 相应的字节复制到 x 的内存中。所有这些机器码都被写入你的可执行文件中。

通常，在编译完成后，表示 SomeClass 和其他定义的数据结构都会被丢弃。剩下的只是一组机器指令。当你实际运行程序时，这些指令会被执行，因此构造函数和将 foo.bar 复制到 x 的代码会由 CPU 执行，而不需要显式了解对象的结构。

这是一般情况。在使用调试器和优化时有特殊情况，但这通常是发生的事情。

- JSBձոգչ

Answer 4

你必须明白，编译时每个类都会被转换成一个结构体（为了简化解释），所以如果你有。

class Foo
{
   int x, y, z;
   char bar[10];
   ... etc ...
}

它们被转换成一个具有指定大小的结构体，这里是4*3 + 10字节。然后，根据对齐方式将它们更方便地排列，记住例如在偏移量4处可以找到属性y，在地址8处可以找到z。

然后很容易，只需将参与赋值的类的地址加上4，就可以得到y等的地址。

- Jack

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在你的代码中，使用sizeof(int)来代替数字4。因为int类型的字节数并不一定是4个字节。 - GManNickG

Answer 5

编译器只在编译时存储类元数据。你的第一个问题，它如何检索bar的值，实际上相当复杂。你可以将其视为从对象foo计算bar的偏移量，然后读取该位置的内存。但是，根据x的实际使用方式，它可能会执行完全不同的操作。在某些情况下，“x”可能根本不出现在编译代码中。

- Peter Ruderman