• 深入探讨this指针


      
    
    为了写这篇文章,准备了好长时间,翻遍了箱底的书籍。但是现在还是不敢放开手来写,战战兢兢。不是担心自己写错,而是唯恐自己错误误导别人。同时也希望这篇文章能给你一点收获。既然是深入探讨this指针,所以建议初学者,最好具有一定编译基础,调试基础。如果大家认为这片文章有不满的地方,就给我发信批评一下,以便及时修正。 
    
    关于this指针的描述我们一般从语言层次上讲; 
    
    this指针作为一个隐含参数传递给非静态成员函数,用以指向该成员函数所属类所定义的对象。当不同的对象调用同一个类的成员函数代码时,编译器会依据该成员函数的this指针所指向的不同对象来确定应该引用哪个对象的数据成员。简单例子 
    
    我们定义一个简单stack类 
    
    // 定义stack类 
    
    class Stack 
    
    { 
    
    public: 
    
         Stack();// 构造函数 
    
         ~Stack();// 析构函数 
    
    public: 
    
         void push(char c);// 压栈函数 
    
    private: 
    
         char *top;// 栈顶元素 
    
         char *max;// 栈容量 
    
    }; 
    
      
    
    // 压栈函数 
    
    void Stack::push(char c) 
    
    { 
    
         if(top > max) 
    
         { 
    
             ERROR; 
    
         } 
    
         *top++ = c; 
    
    } 
    
      
    
    // 定义公共函数,操作栈对象中的push函数 
    
    void FunStack(Stack *p) 
    
    { 
    
         p->push('c'); 
    
    } 
    
    上面的代码我们加入this概念,以C代码形式显示(你可以理解编译C++成C代码后,Cfront开始就是这么做的) 
    
    // 用普通C描述类成员函数 
    
    void Stack__push(this,c);// 普通C代码 
    
    { 
    
         if(this->top > this->max) 
    
         { 
    
             ERROR; 
    
         } 
    
         *(this->top)++ = c; 
    
    } 
    
      
    
    void FunStack(p)// Stack *p; 
    
    { 
    
         Stack__push(p,'c'); 
    
    } 
    
    C++中this指针是从Simula(只是听说没有使用过)里的THIS引用的翻版,有时候有人会问,为什么this是指针而不是一个引用?为什么叫this而不是叫self(smalltalk)?第一个问题是,当this引入带类的C时,在那时的是C++中还没有引用机制,所以只能是this指针而不是引用了。第二个问题,更简单了,就是因为this是从simula来,而不是从smalltalk来。 
    
        上面是简单的讨论,我们将逐步深入讨论this。 
    
    我们通过this访问对象(已经成惯例了)中函数和变量时一般这样使用 
    
        this->top;// 访问变量 
    
        this->push();// 访问函数 
    
      
    
        (*this).top;// 访问变量 
    
        (*this).push();// 访问函数 
    
    通过上面例子,我们从语言层次上说this是一个指针(也许你说this本来就是一个指针,就叫this指针,不要着急听我慢慢说来)。那么this是一个什么样子的指针,比如我们最常见的指针有。 
    
        int *p; 
    
        Const int *p; 
    
        int * const p; 
    
    那么this指针是不是其中一种?下面我们分别验证。 
    
        我们定义类,作为验证对象 
    
        class A 
    
    { 
    
    public: 
    
         int iData;// 简单期间我们定义为int型 
    
         mutable int iData2;// mutable变量 
    
    int Fun1(){return ++iData;};// 普通函数㈠ 
    
         int Fun2() const {return ++iData;};// 带const的函数㈡ 
    
    }; 
    
    上面的㈠函数可以正确执行。 
    
    上面㈡函数,不能通过编译,我们知道在const函数中,不允许修改类中变量。那么最终原因是什么?其实在上面的例子中,我们用C实现 
    
    int A_Fun2(const A* this); 
    
    const函数本质是const this的原因,所以不允许修改iData值。 
    
    至少现在我们可以确定this指针,不是一个const常量指针。因为如果this是常量指针,我们就不能修改类中变量的值了。捎带我们提一下C++中关键字mutable,如上定义的mutable int iData2;// mutable变量,这样我们就可以在const函数中修改iData2的值。其实这时的mutable和public,private,protected是相同的,这些关键字只是在编译时刻有用,编译后变量类型是没有区别的。更深一步说,强制类型转换也是对编译器来说,是通过编译器编译过程中判断类型转换的正误。 
    
        那么this对象是否是A *const this的值哪?首先我们先看一个例子 
    
      
    
    static int iTest = 1; 
    
    class A 
    
    { 
    
    public: 
    
         int iData;// 简单期间我们定义为int型 
    
         mutable int iData2;// mutable变量 
    
         int Fun1() 
    
         { 
    
             int iTemp = 4; 
    
             return ++iData; 
    
         };// 普通函数 
    
         int Fun2()const {return iData;};// 带const的函数 
    
    }; 
    
      
    
    int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) 
    
    { 
    
         A a; 
    
    static int iTest1 = 2; 
    
         a.Fun1(); 
    
    static int iTest2 = 3; 
    
    system("pause"); 
    
         return 0; 
    
    } 
    
    我们通过上面的例子查看this的地址,我们定义static对象的目的就是为了用this指针的地址和static变量的地址进行对比,看一看this指针到底分配到哪里? 
    
        注意我们在这里不能直接使用&this获得this的指针,如果我们这样定义会提示 
    
    Error C2102 “&”要求一个L值 
    
        通过上面至少我们知道,this不是一个个人定义的变量,只是在运行时刻有效。所以这时如果直接对this取地址,在编译时刻无法通过,提示如上错误。 
    
        既然我们在程序中无法通过&this取得this的地址。那么我们有什么办法取得this的地址?我们上面已经提到this是在运行时刻有效,我们就以据这点查找this的地址。 
    
        为了在取得this的地址,我们使用VC7.0下的命令窗口,在命令窗口中我们使用命令eval,通过这个命令我们可以取得this的地址。我们还是在上面的程序中设置断点 
    
    
      
    
    在debug下,我们运行上面的程序,并进入断点后,进行取址操作。 
    
    >eval &iTest 
    
    0x0044afa0 iTest 
    
    >eval &iTest1 
    
    0x0044afa4 iTest1 
    
    >eval &this// 注意只有我们进入Fun1()函数体内才能取得&this的值 
    
    0x0012fdf0 "玄_" 
    
    >eval &iTest2 
    
    0x0044afa8 iTest2 
    
      
    
    通过对比我们可以看出static变量iTest,iTest1,iTest2存放在全局变量区域,而&this0x0012fdf0)的地址比&iTest(0x0044afa0)地址还要底,而static变量存放在单独全局 
    
    区域,并且这个区域是从底地址到高地址递增的。所以通过上面的对比至少我们可以肯定一点this指针的创建要比static变量(或者全局变量)早。那么更比创建A a;对象时调用A的构造函数早,只是创建a对象后,this指向a对象; 
    
    当我们创建两个A类对象时,会发现this指针的地址是相同的,但是this指针指向对象不同。当然不同了,如果相同。A a,b;那么a,b对象也就相同了,这种方式肯定是不对的。结论就是同一个类创建多个对象时,多个对象的this指针是同一个指针。也就是说在单进程单线程中this对象在放入CPU寄存器中时都是同一个地址,只是指向不同的对象而已。上面的测试是在DEBUG状态下的测试结果。 
    
    那么在Release是什么样?要多亏VC7.0支持Release下的断点,我们在Release下,启动调试。这时需要在Release状态下设置,优化状态为禁用(/Od) 
    
    >eval &this CXX0069: 错误: 变量需要堆栈帧 
    
    >eval this CXX0069: 错误: 变量需要堆栈帧 
    
    >eval *this CXX0069: 错误: 变量需要堆栈帧 
    
      
    
        在Release状态下&thisthis,*this不存在了,提示是变量需要堆栈帧,说明此时的this指针不存在了。难到this指针只是在debug模式下有,在Release模式下没有?而C++语言特性中并没有说this指针在调试状态下有而在Release模式下没有啊?只是强调this指针作为一种隐含参数传递。也就是在正确(请这样理解)的程序中this应该是不存在的,至少可以肯定的是说在内存中不存在this指针。 
    
        我们使用C++的时候知道有一种变量定义方式,也不存放到内存,而是直接放到寄存器中。我想你已经猜到了就是register类型变量,下面我们测试register类型变量是否和this指针是一样的结果。 
    
        在程序中定义:register int iRegData; 
    
        Debug模式下 
    
    >eval iRegData 
    
    5 
    
    >eval &iRegData 
    
    0x0012fec4// 注意这个地址,看看是否和>eval &this// 注意只有我们进入Fun1()函数体内才能取得&this的值0x0012fdf0 "玄_"在地址上很接近啊!一个是0x0012fec4,另一个是0x0012fdf0。 
    
        Release模式下 
    
    >eval iRegData 
    
    5 
    
    >eval &iRegData 
    
    0x0012fee0 
    
    通过上可以知道在debug和Release模式下iRegData都没有直接放入寄存器,而是在内存中开辟了内存空间,至于如何可以在运行时候看出register变量是放到寄存器,而不是内存中,我还不得而知,所以哪位高人知道,麻烦告诉我一声。看来this指针也不是register类型的,或者我现在的能力还不能确定this是register。后来才知道register对编译器只是一个提示,编译器可以执行也可以不执行,就像inline一样。但是至少我们可以使用__inline宏,可以确保函数被inline,但是register?有没有这种策略,我现在还不得而知。 
    
    补充:定义变量类型有四中分别是 
    
    1:Auto:非static,const类型变量,比如局部变量,int i;char c等。都是auto int i;auto char c; 
    
    2static:静态变量,static int i,static char c; 
    
    3const:常量变量,值不可修改。Const int i,static char c; 
    
    4:register:内存变量,编译器把此值直接放入寄存器。Register int i;register char c; 
    
    上面讨论我们都是从类中变量进行讨论的,但是无法确定this到底是什么?那么我们继续从类中的函数开始讨论this。并且我们也将逐渐深入编译状态下。 
    
    开始的使用已经举了例子,类内函数在解释函数时,把this指针作为函数的第一个参数进行传递。但是,当高级语言被编译成计算机可以识别的机器码时,有一个问题就凸现出来:在CPU中,计算机没有办法知道一个函数调用需要多少个、什么样的参数,也没有硬件可以保存这些参数(你讲看到this是一个例外)。也就是说,计算机不知道怎么给这个函数传递参数,传递参数的工作必须由函数调用者和函数本身来协调。为此,计算机提供了一种被称为栈的数据结构来支持参数传递。
        栈是一种先进后出的数据结构,栈有一个存储区、一个栈顶指针。栈顶指针指向堆栈中第一个可用的数据项(被称为栈顶)。用户可以在栈顶上方向栈中加入数据,这个操作
    被称为压栈(Push),压栈以后,栈顶自动变成新加入数据项的位置,栈顶指针也随之修
    改。用户也可以从堆栈中取走栈顶,称为弹出栈(pop),弹出栈后,栈顶下的一个元素变
    成栈顶,栈顶指针随之修改。 
    
    函数调用时,调用者依次把参数压栈,然后调用函数,函数被调用以后,在堆栈中取得数据,并进行计算。函数计算结束以后,或者调用者、或者函数本身修改堆栈,使堆栈恢复原装。在参数传递中,有两个很重要的问题必须得到明确说明:当参数个数多于一个时,按照什么顺序把参数压入堆栈函数调用后,由谁来把堆栈恢复原装在高级语言中,通过函数调用约定来说明这两个问题。常见的调用约定有: 
    
    stdcall
    cdecl
    fastcall
    thiscall
    naked call 
    
    原来函数调用约定也有这么多啊,看这都有点晕了呵呵。因为这篇文章讲的是this指针,所以在这里我们主要讨论thiscall。 
    
           thiscall是唯一一个不能明确指明的函数修饰,因为thiscall不是关键字(所以不要在C++关键字中找了)。它是C++类成员函数缺省的调用约定。由于成员函数调用有一个this指针,因此必须特殊处理,thiscall意味着:参数从右向左入栈,如果参数个数确定,this指针通过ecx传递给被调用者;如果参数个数不确定,this指针在所有参数压栈后被压入堆栈。对参数个数不定的,调用者清理堆栈,否则函数自己清理堆栈为了说明这个调用约定,定义如下类和使用代码:
    class A
    {
    public:
    int function1(int a,int b);
    int function2(int a,...);// 定义VA(可变)函数
    };
    int A::function1 (int a,int b)
    {
    return a+b;
    }
    int A::function2(int a,...)
    {
    va_list ap;
    va_start(ap,a);
    int i;
    int result = 0;
    for(i = 0 i < a i ++)
    {
    result += va_arg(ap,int);
    }
    return result;
    }
    void callee()
    {
    A a;
    a.function1 (1,2);
    a.function2(3,1,2,3);
    }
    callee函数被翻译成汇编后就变成:
    //函数function1调用
    0401C1D push 2
    00401C1F push 1
    00401C21 lea ecx,[ebp-8]
    00401C24 call function1 // 注意,这里this没有被入栈,而是通过ECX传递this指针 
    
    此时寄存器的各值如下 
    
    EAX = 00000003 EBX = 7FFDF000 ECX = 0012EE43 
    
    EDX = 00000001 ESI = 00000000 EDI = 0012EE48 
    
    EIP = 0041707A ESP = 0012ED70 EBP = 0012EE48 
    
    EFL = 00000206 
    
    察看this指针 
    
    >eval this 
    
    0x0012ee43// 看看这个值是否和ECX相同
    //函数function2调用
    00401C29 push 3
    00401C2B push 2
    00401C2D push 1
    00401C2F push 3
    00401C31 lea eax,[ebp-8] // 这里引入this指针,并把this指针放入栈内 
    
    EAX = 00000006 EBX = 7FFDF000 ECX = 0012ED70 
    
    EDX = 00000006 ESI = 00000000 EDI = 0012EE48 
    
    EIP = 0041708E ESP = 0012ED70 EBP = 0012EE48 
    
    EFL = 00000212 
    
    察看this指针 
    
    >eval this 
    
    0x0012ee43// 看看这个值是否和ECX相同
    00401C34 push eax
    00401C35 call function2
    00401C3A add esp,14h 
    
      
    
    到现在,我们对this得了解还说不上深入了解。简单得说this就是指向对象自身的一个指针,讨论这么多其实就是想了解this在反编译阶段是如何传递运行得。也许就this的了解我们就可以基于以上讨论已经足够了。但是this的应用并不简单的就是这些内容,比如在ATL中,就有专门函数用来保存回复this指针的策略;我们在重载operator=也需要通过this判断赋值等号两边对象,是否指向同一个对象。 
    
      
    
    关于指针:指针和其它变量(int,char等)一样,在声明后会在内存中申请内存空间,存储在在程序的堆栈上,大小一般都是一个机器字的长度(比如在32位机上是4个字节)。简单的说指针是指向内存中地址的变量,可以是数据的地址也可以是函数的地址。一句话:指针是一种用于储存“另外一个变量的地址”的变量。或者拆成两句:指针是一个变量,它的值是另外一个变量的地址。 
    
      
    
    参考资料 
    
    孙晓涛等《Windows高级编程》西北工业大学出版社(1997年10月 西安) 
    
    逸学堂《关于this指针的深入探讨》CSDN 
    
    《C++编程思想》 
    
    转载自:http://blog.csdn.net/ugg/article/details/606396 
    
      
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