【转】C++类-内存分布

C++类内存分布 - 转载自Jerry19880126 - 博客园 的文章
在上面这篇文章的基础上做了些整理。
主要讨论了C++类对象的内存分布结构。
来看看编译器是怎么处理类成员内存分布的，特别是在继承、虚函数存在的情况下。
原文地址：http://www.cnblogs.com/jerry19880126/p/3616999.html

0、准备

工欲善其事，必先利其器，我们先用好Visual Studio工具，像下面这样一步一步来：

选择左侧的C/C++->命令行，在其他选项这里写上

  • /d1 reportAllClassLayout 它可以看到所有相关类的内存布局，
  • 如果写上/d1 reportSingleClassLayoutXXX（XXX为类名），则只会打出指定类XXX的内存布局。

1、普通类

下面可以定义一个类，像下面这样：

class Base{
    int a;
    int b;
public:
    void CommonFunction();
};

编译后，可以看到输出框里面有这样的排布：

这里不想花精力在内存对齐因素上，所以成员变量都设为int型。

从这里可以看到普通类的排布方式:

  • 成员变量依据声明的顺序进行排列（类内偏移为0开始），成员函数不占内存空间。

2、普通继承

再看下继承，往后面添加如下代码：

class DerivedClass: public Base{
    int c;
public:
    void DerivedCommonFunction();
};

编译，然后看到如下的内存分布（父类的内存分布不变，这里只讨论子类成员变量的内存分布）：

可以看到子类继承了父类的成员变量
在内存排布上:
-先是排布了 父类的成员变量 ，接着排布 子类的成员变量，同样，成员函数不占字节。

3、包含虚函数的类

下面给基类加上虚函数，暂时注释掉DerivedClass，看一下这时的内存排布：

class Base{
    int a;
	int b;
public:
    void CommonFunction();
    virtual void VirtualFunction();
};

内存结构图
这个内存结构图分成了两个部分:上面是内存分布，下面是虚表。

  1. 内存分布：
    VS带的编译器把虚函数表指针放在了内存的开始处（地址偏移为0），然后再是成员变量；
  2. 虚函数表：
    紧跟在&Base1_meta后面的0表示，这张虚表对应的虚指针在内存中的分布；
    下面列出了虚函数，左侧的0是这个虚函数 的序号，这里只有一个虚函数，所以只有一项；
    如果有多个虚函数，会有序号为1、2...的虚函数列出来。
  • 编译器是在调用构造函数时创建这个虚表指针以及虚表的。

4、包含虚函数的继承

下面加上子类，并在子类中添加虚函数，像下面这样：

class DerivedClass: public Base{
    int c;
public:
    void DerivedCommonFunction();
    void virtual VirtualFunction();
};

可以看到子类内存的排布如下：

  • 上半部是内存分布，可以看到，
    虚表指针被继承了，且仍位于内存排布的起始处，
    下面是父类的成员变量a和b，最后是子类的成员变量c，
    注意虚表指针只有一个，子类并没有再生成虚表指针了；
  • 下半部的虚表情况与父类(3、包含虚函数的类)是一样的。

5、多态实现

编译器是如何利用虚表指针与虚表来实现多态的呢？

  • 当创建一个含有虚函数的父类的对象时，编译器在对象构造时将虚表指针指向父类的虚函数表；
  • 当创建子类的对象时，编译器在构造函数里将虚表指针（子类只有一个虚表指针，它来自父类）指向子类的虚表（这个虚表里面的虚函数入口地址是子类的）。

所以，如果是调用

Base *p = new Derived();
  1. 生成的是子类的对象，在构造时，子类对象的虚指针指向的是子类的虚表，
  2. 接着由Derived*到Base*的隐式类型转换并没有改变虚表指针，
  3. 若调用p->VirtualFunction()，实际上是p->vfptr->VirtualFunction()，
    它在构造的时候就已经指向了子类的VirtualFunction()，所以调用的是子类的虚函数。

这就多态了。

6.1、变化1

我们把子类换个代码，像这样：

class DerivedClass1 : public Base{
    int c;
public:
    void DerivedCommonFunction();
    virtual void VirtualFunction2();
};

注意到这时我们并没有覆盖父类的虚方法，而是重声明了一个新的子类虚方法，内存分布如下：

还是只有一个虚表指针，但是下方虚表的内容变化了，

  • 虚表的0号是父类的VirtualFunction()，而1号放的是子类的 VirtualFunction2()。

也就是说，如果定义了DerivedClass的对象（或者指向它的指针或引用），那么在构造时，虚表指针就会指向这个虚表；
如果调用的是VirtualFunction()，那么会从父类中寻找对应的虚函数(!子类没有覆盖父类的函数)；
如果调用的是VirtualFunction2()，那么会从子类中寻找对应的虚函数。

????子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情

6.2、变化2

我们再改造一下子类，像这样：

class DerivedClass1 : public Base{
    int c;
public:
    void DerivedCommonFunction();
    virtual void VirtualFunction();
    virtual void VirtualFunction2();
};

我们既覆盖父类的虚函数，也有新添的虚函数，那么可以料想的到，是下面的这种内存分布：

7、多重继承

下面来讨论多重继承，代码如下：

class Base{
    int a;
    int b;
public:
    void CommonFunction();
    virtual void VirtualFunction();
};

class DerivedClass1: public Base{
    int c;
public:
    void DerivedCommonFunction();
    virtual void VirtualFunction();
};

class DerivedClass2 : public Base{
    int d;
public:
    void DerivedCommonFunction();
    virtual void VirtualFunction();
};

class DerivedDerivedClass : public DerivedClass1, public DerivedClass2{
    int e;
public:
    void DerivedDerivedCommonFunction();
    virtual void VirtualFunction();
};

内存分布从父类到子类，依次如下：


  1. Base中有一个虚表指针，地址偏移为0

  2. DerivedClass1继承了Base，内存排布是先父类后子类。

  3. DerivedClass2的情况是类似于DerivedClass1的。

  4. 下面我们重点看看这个类DerivedDerivedClass，
  • 由外向内看，它并列地排布着继承而来的两个父类DerivedClass1与 DerivedClass2，还有自身的成员变量e。
  • DerivedClass1包含了它的成员变量c，以及Base，Base有一个0地址偏移的虚表指针，然后是成员变量a和b；
  • DerivedClass2的内存排布类似于DerivedClass1，注意到DerivedClass2里面竟然也有一份 Base。

    -这里有两份虚表了，分别针对DerivedClass1与DerivedClass2，
    在&DerivedDericedClass_meta下方的数字0是首地址偏移量，
    靠下面的虚表的那个-16表示指向这个虚表的虚指针的内存偏移，这正是DerivedClass2中的{vfptr}在DerivedDerivedClass的内存偏移。
    这里的描述和这篇文章的描述有些出入。

8、虚继承

如果采用虚继承，像下面这样：

class DerivedClass1: virtual public Base{
    int c;
public:
    void DerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
};
class DerivedClass2 : virtual public Base{
    int d;
public:
    void DerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
};
class DerivedDerivedClass :  public DerivedClass1, public DerivedClass2{
    int e;
public:
    void DerivedDerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
};

  • Base类没有变化，但往下看：

  • DerivedClass1 就已经有变化了，原来是先排虚表指针与Base成员变量，vfptr位于0地址偏移处；但现在有两个虚表指针了，一个是vbptr，另一个是vfptr。
    vbptr是这个DerivedClass1对应的虚表指针，它指向DerivedClass1的虚表vbtable，另一个vfptr是虚基类表对应的虚指针，它指向vftable。

下面列出了两张虚表，第一张表是vbptr指向的表，8表示{vbptr}与{vfptr}的偏移；
第二张表是vfptr指向的表，-8指明了这张表所对应的虚指针位于内存的偏移量。

DerivedClass2的内存分布类似于DerivedClass1，同样会有两个虚指针，分别指向两张虚表（第二张是虚基类表）。

下面来仔细看一下DerivedDerivedClass的内存分布，这里面有三个虚指针了，但base却只有一份。第一张虚表是内含DerivedClass1的，20表示它的虚指针{vbptr}离虚基表指针{vfptr}的距离，
第二张虚表是内含DerivedClass2 的，12表示它的虚指针{vbptr}离虚基表指针{vfptr}的距离，
最后一张表是虚基表，-20指明了它对应的虚指针{vfptr}在内存中的偏移。

虚继承的作用是减少了对基类的重复，代价是增加了虚表指针的负担（更多的虚表指针）。

9、总结

下面总结一下（当基类有虚函数时）：

  1. 每个类都有虚指针和虚表；
  2. 如果不是虚继承，那么子类将父类的虚指针继承下来，并指向自身的虚表（发生在对象构造时）。
    有多少个虚函数，虚表里面的项就会有多少。
    多重继承时，可能存在多个的基类虚表与虚指针；
  3. 如果是虚继承，那么子类会有两份虚指针，一份指向自己的虚表，另一份指向虚基表，
    多重继承时虚基表与虚基表指针有且只有一份。
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