第7章：对象模型边缘

从“哪些决议必须推迟”开始

前六章多在解释 compiler 怎样把已知 class hierarchy 映射为固定 layout/call/lifetime protocol。第 7 章转向更晚发生的决策：template 直到 actual type 出现才形成 specialization；exception 直到 throw 才选择 handler；RTTI 直到 runtime 才检查 dynamic relation。先预测这三者各把什么信息推迟到何时，再判断代价和 ABI 边界。

7.1 Templates

Template Instantiation

template 不是未经检查的 textual macro。definition 先被 parse；non-dependent names 通常在 definition context 绑定；dependent expressions 等到 point of instantiation 才结合 actual types 解析。implicit instantiation 由 use 触发，explicit instantiation 可集中 code emission，specialization 则提供另一份定义。

template <typename Range>
auto sum(const Range& range) {
    typename Range::value_type result{};
    for (const auto& value : range) {
        result += value;
    }
    return result;
}

Range::value_type 依赖 template parameter，需要 typename 告诉 parser 它是 type；operator+= 是否有效要到具体 Range/value type 才判断。不同 translation units 形成的同一 specialization 必须 ODR-equivalent，linker/ABI 可通过 COMDAT、weak symbol 等合并实现代码。

Error Reporting within a Template

延迟检查会产生长 diagnostic chain，但责任位置仍可分类：template 本身语法错误；candidate substitution failure；selected specialization body 不满足 requirement；linkage/ODR 错误。现代 concepts/requires 可把 requirement 提前命名，减少“在 body 深处才报错”。

Name Resolution within a Template

错误地依赖某个 compiler 的单阶段 lookup 会造成 portability bug。需要从 dependent base 取 member 时常写 this->member 或 qualified name，让 lookup 延迟；unqualified non-dependent helper 则不会因 instantiation namespace 新增同名 overload 自动改绑。

Member Function Instantiation

这让 class template 可包含只对某些 T 有效的 optional operations，只要它们不被使用；但 interface constraints 应尽量明确。code size 取决于 distinct specializations、inline 与 linker folding，不是“template 一定膨胀”或“完全零成本”的单一结论。

7.2 Exception Handling

A Quick Review of Exception Handling

try 标记 handler region，throw 终止当前 normal path，catch 按声明顺序尝试 type match。handler 可处理、转换或 throw; rethrow 当前 exception。destructor 在 unwinding 中必须可靠，通常不应再抛出逃逸 exception。

try {
    loadScene(path);
} catch (const ParseError& error) {
    report(error);
} catch (const std::exception& error) {
    fallback(error);
}

derived handler 应放在 compatible base handler 前，否则前者不可达。catch by const& 保留 dynamic exception object 并避免 value slicing；catch by value 会初始化新的 parameter object，可能截去 derived state。

Determine if the Throw Occurred within a try Block

常见 zero-cost exception ABI 在 normal path 主要保留 metadata，throw path 由 personality routine/table 驱动搜索与 cleanup；其他 implementation 可选不同策略。语言保证 behavior，不保证“try 永远零成本”或 table layout。

Compare the Type against Each Catch Clause

handler matching 不等同普通 overload resolution。runtime 使用 type metadata 检查关系，并在 catch base reference 时给出正确 base view。catch(...) 是最终兜底，不提供具体 type。异常跨不兼容 runtime/DSO boundary 会面临 type identity、allocator 和 unwinder ABI 风险。

What Happens When an Actual Object Is Thrown

struct DetailedError : std::runtime_error {
    using std::runtime_error::runtime_error;
};
 
void parse() {
    DetailedError error("bad token");
    throw error;
}

exception object 不是对 local error 的悬空引用；runtime 在专用 storage 中 copy/move-initialize 它，随后 local frames unwind。catch base by value 会 slicing catch parameter，不改变 exception object 的原始 dynamic type；rethrow 应使用 throw;，写 throw error; 会创建新的 throw operand/对象语义。

7.3 Runtime Type Identification

Introducing a Type-Safe Downcast

static_cast<Derived*>(base) 假设 programmer 已证明 dynamic object 兼容；若假设错，后续使用产生 undefined behavior。type-safe downcast 使用 dynamic_cast 检查 polymorphic hierarchy，并完成 multiple/virtual inheritance 必要 pointer adjustment。

A Type-Safe Dynamic Cast: References Are Not Pointers

pointer cast 有自然的空失败值，所以失败返回 nullptr；reference 必须绑定 object，没有 null state，因此失败抛 std::bad_cast。接口应根据失败是否为普通分支选择 pointer/reference form，不靠 exception 捕获实现常规 probe loop。

if (auto* circle = dynamic_cast<Circle*>(shape)) {
    circle->setRadius(2.0);
}
 
Circle& required = dynamic_cast<Circle&>(*shape); // 失败抛 bad_cast

source class 需要 polymorphic 才能从 runtime representation 取得 dynamic identity（除特定规则外）。dynamic_cast<void*> 可从 polymorphic base view 得到 most-derived object address，但仍不是 serialization/ownership mechanism。

Typeid Operator

typeid(*pointer) 在 pointer 指向 polymorphic object 时查询 dynamic type；若 pointer 为 null，该 polymorphic dereference context 抛 std::bad_typeid。不要把 type_info::name() 当稳定用户协议，其文本和跨 DSO identity 属于 implementation/ABI 范围。

7.4 Efficient, but Inflexible?

virtual table slot set 通常在 compilation/linkage 前确定，runtime 可以换 dynamic object，却不能像动态语言那样向既有 class 随意添加 method/field。固定 representation 带来 constant offset 与 O(1) slot dispatch，也把 binary compatibility 责任推给 library boundary。

Dynamic Shared Libraries

更改 virtual order、base layout、member layout、compiler flags 或 standard library ABI 可能破坏 binary compatibility。plugin interface 常用 versioned C facade、opaque handle/pImpl、显式 create/destroy 在同一 module 配对，并约束 exception 不跨 boundary。若直接暴露 C++ hierarchy，就要固定 compiler/ABI、visibility、RTTI 和 ownership policy。

Shared Memory

把 polymorphic object 原样放进 shared memory 通常无效：vptr 是 process-local code/data address，raw pointers 受 ASLR/mapping base 影响，mutex/allocator 也可能非 process-shared。共享格式应使用 offsets、stable IDs、versioned standard-layout records 与显式 synchronization；每个 process 在本地重建 behavior objects。

第7章验证清单

1. template 标出 non-dependent definition-time lookup 与 dependent instantiation-time lookup。
2. 记录 specialization request、point of instantiation、member 是否真正 odr-used/emitted。
3. diagnostic 分为 definition、substitution、instantiation body 与 ODR/linkage。
4. exception 路径依次检查 exception object、active try、catch matching、unwind cleanups。
5. catch polymorphic error 用 const reference，bare rethrow 保留原 exception identity。
6. dynamic_cast pointer 失败为 null，reference 失败为 bad_cast，并验证 adjustment。
7. typeid 区分 static/dynamic query 和 null polymorphic dereference。
8. DSO/shared memory 不传裸 vptr/type_info/raw pointer，使用版本化 ABI 与稳定数据表示。

小结

• templates 通过 definition/instantiation 两阶段把 dependent type work 延迟到 actual arguments
• template error reporting 的延迟来自 dependent operation，而非无类型字符串替换
• exception runtime 创建独立 thrown object，搜索 active try/catch 并沿途执行 RAII cleanup
• pointer/reference dynamic_cast 使用相同 type graph，但失败协议分别是 null 与 bad_cast
• typeid 对 polymorphic glvalue 可报告 dynamic type，其 name/identity 仍有 ABI 边界
• 固定 object layout/vtable 让访问高效，也限制 runtime 改变 class shape 的灵活性
• dynamic shared libraries 必须版本化 compiler ABI、RTTI、exception 和 ownership contract
• shared memory 应存 offsets/IDs/versioned records，不存 process-local vptr 和 raw pointers