Object-oriented Language¶

什么是面向对象语言：

All (or most) values are objects
Objects belong to a class
Encapsulate state (fields) and behavior (methods)

特性：Inheritance，Encapsulation，polymorphism

Classes¶

编译器如何处理类相关的构造？“Object-Tiger” 语言将探讨类定义和使用的语法和语义。

Class Declarations

类声明：dec → classdec
类声明结构：classdec \(\rightarrow\) class B extends A { classfield }
B 是类的名称，A 是父类，表明继承关系，编译器的语义分析阶段必须严格执行继承的基本规则：
- All fields and methods of A implicitly belong to B
- Methods may be overridden in B, fields may not
- Parameter and result types of overriding methods must match those of overridden methods
{...} 中包含零个或多个 classfield
类字段可以是变量声明或方法定义：classfield → vardec & classfield → method
方法定义的语法：method → method id(tyfields) = exp & method → method id(tyfields) : type-id = exp . tyfields 代表类型化的形式参数列表。

There is a predefined class identifier Object with no fields or methods. 如果声明类时未明确指定父类，编译器必须隐式地将该类作为 Object 的子类。

Method and Self Parameter

Methods are like functions with formal parameters and bodies. Each method within class B has an implicit formal parameter self of type B (class B 是子类)。self 并非 keyword，而是 Automatically bound to the object during runtime

Class Car extends Vehicle {
 ...
  method await(/*self: Car,*/ v: Vehicle) {
    if (v.position < position) // 此处的 'position' 隐式代表class Car类的'self.position'
    then v.move(position - v.position)
    else self.move(10)       // 此处显式使用 'self'
  }
}

var c := new Car
c.move(60); // 这在底层可以被认为是调用 move(c, 60);

Object Creation and Method Calls

对象创建：exp → new class-id；例如 new B.
字段访问：exp → lvalue.id ; 例如 b.x 表示访问对象b的字段x
方法调用：
exp → lvalue.id() (无参数方法调用)
exp → lvalue.id(exp{, exp}) (带参数方法调用)
例：b.f(x,y)

实现 “Object-Tiger” 需要考虑几个方面：

Field layout ：Arrange object fields in memory
Method dispatch ：Find which concrete implementation of a method to call
Membership test ：Test whether an object is an instance of some type

Single Inheritance¶

field layout¶

在单一继承模型下，编译器如何组织对象的内存以及如何确定调用哪个方法实现。

一个简单而有效的 字段布局 策略是“前缀法”（prefixing）：

从父类继承而来的所有字段，按照它们在父类中声明的顺序，被放置在子类对象记录的起始部分。
子类自己新定义的字段则紧随其后排列。

例：

layout：

A: [a]
B: [a, b, c]
C: [a, d]
D: [a, b, c, e]

method dispatch¶

每个 method instance 在编译后都会成为一段机器码，存储在特定的内存地址. 编译器的语义分析阶段，会为每个类维护一个 class descriptor，其包含：

A pointer to its parent class
A list of method instances
Each method instance has a machine-code label ，即入口地址

Static Methods

当编译器遇到一个静态方法调用，如 c.f()，执行哪个方法的代码取决于变量c的声明类型（declared type），而不是c在运行时实际指向的对象的类型。调用过程如下：

Search in class C for method f
If not found, search the parent class of C
Continue up the inheritance hierarchy
When found in ancestor class A, compile a function call to label A_f

由于这种解析完全在编译时完成，静态方法调用速度快，没有运行时的额外开销。

例：由于声明类型是 Animal ，所以调用Animal_describeSpecies

Dynamic methods

需要根据对象在 运行时的实际类型 来确定具体执行哪个方法实现，这是实现多态的关键。

编译器会为每个包含动态方法的类（或可能被继承且其方法可能被覆盖的类）创建一个dispatch vector 或更通俗地称为 virtual table, vtable 的数据结构。构建规则如下：

When class B inherits from A，类B的虚函数表会首先复制类A虚函数表的所有条目。这意味着B的vtable中，对应于从A继承而来的方法的条目，其位置（偏移量）与在A的vtable中完全相同。
如果类B定义了新的动态方法（即在A中不存在的方法），这些新方法的指针将附加在B的vtable中，位于继承条目的后面。
如果类B override 了从类A继承的某个方法m，那么在B的vtable中，对应于方法m的条目将指向B自己实现的方法m_B的代码地址。如果B没有覆盖m，则该条目将继续指向A的方法m_A的代码地址。