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解析C++類內(nèi)存分布

更新時(shí)間：2021年06月09日 09:10:40 作者：lsgxeva

本篇文章介紹了C++類內(nèi)存分布結(jié)構(gòu)，我們來(lái)看看編譯器是怎么處理類成員內(nèi)存分布的，特別是在繼承、虛函數(shù)存在的情況下

工欲善其事，必先利其器，我們先用好Visual Studio工具，像下面這樣一步一步來(lái)：

先選擇左側(cè)的C/C++->命令行，然后在其他選項(xiàng)這里寫(xiě)上/d1 reportAllClassLayout，它可以看到所有相關(guān)類的內(nèi)存布局，如果寫(xiě)上/d1 reportSingleClassLayoutXXX（XXX為類名），則只會(huì)打出指定類XXX的內(nèi)存布局。近期的VS版本都支持這樣配置。

下面可以定義一個(gè)類，像下面這樣：

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

然后編譯一下，可以看到輸出框里面有這樣的排布：

這里不想花精力在內(nèi)存對(duì)齊因素上，所以成員變量都設(shè)為int型。

從這里可以看到普通類的排布方式，成員變量依據(jù)聲明的順序進(jìn)行排列（類內(nèi)偏移為0開(kāi)始），成員函數(shù)不占內(nèi)存空間。

再看下繼承，往后面添加如下代碼：

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

編譯，然后看到如下的內(nèi)存分布（父類的內(nèi)存分布不變，這里只討論子類成員變量的內(nèi)存分布）：

可以看到子類繼承了父類的成員變量，在內(nèi)存排布上，先是排布了父類的成員變量，接著排布子類的成員變量，同樣，成員函數(shù)不占字節(jié)。

下面給基類加上虛函數(shù)，暫時(shí)注釋掉DerivedClass，看一下這時(shí)的內(nèi)存排布：

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

這個(gè)內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖分成了兩個(gè)部分，上面是內(nèi)存分布，下面是虛表，我們逐個(gè)看。VS所帶編譯器是把虛表指針?lè)旁诹藘?nèi)存的開(kāi)始處（0地址偏移），然后再是成員變量；下面生成了虛表，緊跟在&Base1_meta后面的0表示，這張?zhí)摫韺?duì)應(yīng)的虛指針在內(nèi)存中的分布，下面列出了虛函數(shù)，左側(cè)的0是這個(gè)虛函數(shù)的序號(hào)，這里只有一個(gè)虛函數(shù)，所以只有一項(xiàng)，如果有多個(gè)虛函數(shù)，會(huì)有序號(hào)為1，為2的虛函數(shù)列出來(lái)。

編譯器是在構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建這個(gè)虛表指針以及虛表的。

那么編譯器是如何利用虛表指針與虛表來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)的呢？是這樣的，當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)含有虛函數(shù)的父類的對(duì)象時(shí)，編譯器在對(duì)象構(gòu)造時(shí)將虛表指針指向父類的虛函數(shù)；同樣，當(dāng)創(chuàng)建子類的對(duì)象時(shí)，編譯器在構(gòu)造函數(shù)里將虛表指針（子類只有一個(gè)虛表指針，它來(lái)自父類）指向子類的虛表（這個(gè)虛表里面的虛函數(shù)入口地址是子類的）。

所以，如果是調(diào)用Base *p = new Derived();生成的是子類的對(duì)象，在構(gòu)造時(shí)，子類對(duì)象的虛指針指向的是子類的虛表，接著由Derived*到Base*的轉(zhuǎn)換并沒(méi)有改變虛表指針，所以這時(shí)候p->VirtualFunction，實(shí)際上是p->vfptr->VirtualFunction，它在構(gòu)造的時(shí)候就已經(jīng)指向了子類的VirtualFunction，所以調(diào)用的是子類的虛函數(shù)，這就是多態(tài)了。

下面加上子類，并在子類中添加虛函數(shù)，像下面這樣：

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

可以看到子類內(nèi)存的排布如下：

上半部是內(nèi)存分布，可以看到，虛表指針被繼承了，且仍位于內(nèi)存排布的起始處，下面是父類的成員變量a和b，最后是子類的成員變量c，注意虛表指針只有一個(gè)，子類并沒(méi)有再生成虛表指針了；下半部的虛表情況與父類是一樣的。

我們把子類換個(gè)代碼，像這樣：

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

注意到這時(shí)我們并沒(méi)有覆寫(xiě)父類的虛方法，而是重聲明了一個(gè)新的子類虛方法，內(nèi)存分布如下：

還是只有一個(gè)虛表指針，但是下方虛表的內(nèi)容變化了，虛表的0號(hào)是父類的VirtualFunction，而1號(hào)放的是子類的VirtualFunction2。也就是說(shuō)，如果定義了DerivedClass的對(duì)象，那么在構(gòu)造時(shí)，虛表指針就會(huì)指向這個(gè)虛表，以后如果調(diào)用的是VirtualFunction，那么會(huì)從父類中尋找對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)，如果調(diào)用的是VirtualFunction2，那么會(huì)從子類中尋找對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)。

我們?cè)俑脑煲幌伦宇悾襁@樣：

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

我們既覆寫(xiě)父類的虛函數(shù)，也有新添的虛函數(shù)，那么可以料想的到，是下面的這種內(nèi)存分布：

下面來(lái)討論多重繼承，代碼如下：

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


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

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

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

內(nèi)存分布從父類到子類，依次如下：

Base中有一個(gè)虛表指針，地址偏移為0

DerivedClass1繼承了Base，內(nèi)存排布是先父類后子類。

DerivedClass2的情況是類似于DerivedClass1的。

下面我們重點(diǎn)看看這個(gè)類DerivedDerivedClass，由外向內(nèi)看，它并列地排布著繼承而來(lái)的兩個(gè)父類DerivedClass1與DerivedClass2，還有自身的成員變量e。DerivedClass1包含了它的成員變量c，以及Base，Base有一個(gè)0地址偏移的虛表指針，然后是成員變量a和b；DerivedClass2的內(nèi)存排布類似于DerivedClass1，注意到DerivedClass2里面竟然也有一份Base。

這里有兩份虛表了，分別針對(duì)DerivedClass1與DerivedClass2，在&DerivedDericedClass_meta下方的數(shù)字是首地址偏移量，靠下面的虛表的那個(gè)-16表示指向這個(gè)虛表的虛指針的內(nèi)存偏移，這正是DerivedClass2中的{vfptr}在DerivedDerivedClass的內(nèi)存偏移。

如果采用虛繼承，像下面這樣：

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類沒(méi)有變化，但往下看：

DerivedClass1就已經(jīng)有變化了，原來(lái)是先排虛表指針與Base成員變量，vfptr位于0地址偏移處；但現(xiàn)在有兩個(gè)虛表指針了，一個(gè)是vbptr，另一個(gè)是vfptr。vbptr是這個(gè)DerivedClass1對(duì)應(yīng)的虛表指針，它指向DerivedClass1的虛表vbtable，另一個(gè)vfptr是虛基類表對(duì)應(yīng)的虛指針，它指向vftable。

下面列出了兩張?zhí)摫恚谝粡埍硎莢bptr指向的表，8表示{vbptr}與{vfptr}的偏移；第二張表是vfptr指向的表，-8指明了這張表所對(duì)應(yīng)的虛指針位于內(nèi)存的偏移量。

DerivedClass2的內(nèi)存分布類似于DerivedClass1，同樣會(huì)有兩個(gè)虛指針，分別指向兩張?zhí)摫恚ǖ诙埵翘摶惐恚?/p>

下面來(lái)仔細(xì)看一下DerivedDerivedClass的內(nèi)存分布，這里面有三個(gè)虛指針了，但base卻只有一份。第一張?zhí)摫硎莾?nèi)含DerivedClass1的，20表示它的虛指針{vbptr}離虛基表指針{vfptr}的距離，第二張?zhí)摫硎莾?nèi)含DerivedClass2的，12表示它的虛指針{vbptr}離虛基表指針{vfptr}的距離，最后一張表是虛基表，-20指明了它對(duì)應(yīng)的虛指針{vfptr}在內(nèi)存中的偏移。