C++類記憶體分布

標籤：數字   重複   virt   vfp   繼承   輸出   log   編譯   epo   

C++類記憶體分布

 

來源 http://www.cnblogs.com/jerry19880126/p/3616999.html

書上類繼承相關章節到這裡就結束了，這裡不妨說下C++記憶體分布結構，我們來看看編譯器是怎麼處理類成員記憶體分布的，特別是在繼承、虛函數存在的情況下。

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：

 

 

先選擇左側的C/C++->命令列，然後在其他選項這裡寫上/d1 reportAllClassLayout，它可以看到所有相關類的記憶體布局，如果寫上/d1 reportSingleClassLayoutXXX（XXX為類名），則只會打出指定類XXX的記憶體布局。近期的VS版本都支援這樣配置。

下面可以定義一個類，像下面這樣：

1 class Base2 {3     int a;4     int b;5 public:6     void CommonFunction();7 };

然後編譯一下，可以看到輸出框裡面有這樣的排布：

這裡不想花精力在記憶體對齊因素上，所以成員變數都設為int型。

從這裡可以看到普通類的排布方式，成員變數依據聲明的順序進行排列（類內位移為0開始），成員函數不佔記憶體空間。

 

再看下繼承，往後面添加如下代碼：

1 class DerivedClass: public Base2 {3     int c;4 public:5     void DerivedCommonFunction();6 };

編譯，然後看到如下的記憶體分布（父類的記憶體分布不變，這裡只討論子類成員變數的記憶體分布）：

可以看到子類繼承了父類的成員變數，在記憶體排布上，先是排布了父類的成員變數，接著排布子類的成員變數，同樣，成員函數不佔位元組。

 

下面給基類加上虛函數，暫時注釋掉DerivedClass，看一下這時的記憶體排布：

1 class Base2 {3     int a;4     int b;5 public:6     void CommonFunction();7     void virtual VirtualFunction();8 };

這個記憶體結構圖分成了兩個部分，上面是記憶體分布，下面是虛表，我們逐個看。VS所帶編譯器是把虛表指標放在了記憶體的開始處（0地址位移），然後再是成員變數；下面產生了虛表，緊跟在&Base1_meta後面的0表示，這張虛表對應的虛指標在記憶體中的分布，下面列出了虛函數，左側的0是這個虛函數的序號，這裡只有一個虛函數，所以只有一項，如果有多個虛函數，會有序號為1，為2的虛函數列出來。

編譯器是在建構函式建立這個虛表指標以及虛表的。

那麼編譯器是如何利用虛表指標與虛表來實現多態的呢？是這樣的，當建立一個含有虛函數的父類的對象時，編譯器在物件建構時將虛表指標指向父類的虛函數；同樣，當建立子類的對象時，編譯器在建構函式裡將虛表指標（子類只有一個虛表指標，它來自父類）指向子類的虛表（這個虛表裡面的虛函數入口地址是子類的）。

所以，如果是調用Base *p = new Derived();產生的是子類的對象，在構造時，子類對象的虛指標指向的是子類的虛表，接著由Derived*到Base*的轉換並沒有改變虛表指標，所以這時候p->VirtualFunction，實際上是p->vfptr->VirtualFunction，它在構造的時候就已經指向了子類的VirtualFunction，所以調用的是子類的虛函數，這就是多態了。

 

下面加上子類，並在子類中添加虛函數，像下面這樣：

1 class DerivedClass: public Base2 {3     int c;4 public:5     void DerivedCommonFunction();6     void virtual VirtualFunction();7 };

可以看到子類記憶體的排布如下：

上半部是記憶體分布，可以看到，虛表指標被繼承了，且仍位於記憶體排布的起始處，下面是父類的成員變數a和b，最後是子類的成員變數c，注意虛表指標只有一個，子類並沒有再產生虛表指標了；下半部的虛表情況與父類是一樣的。

 

我們把子類換個代碼，像這樣：

1 class DerivedClass1 : public Base2 {3     int c;4 public:5     void DerivedCommonFunction();6     void virtual VirtualFunction2();7 };

注意到這時我們並沒有覆寫父類的虛方法，而是重聲明了一個新的子類虛方法，記憶體分布如下：

還是只有一個虛表指標，但是下方虛表的內容變化了，虛表的0號是父類的VirtualFunction，而1號放的是子類的VirtualFunction2。也就是說，如果定義了DerivedClass的對象，那麼在構造時，虛表指標就會指向這個虛表，以後如果調用的是VirtualFunction，那麼會從父類中尋找對應的虛函數，如果調用的是VirtualFunction2，那麼會從子類中尋找對應的虛函數。

 

我們再改造一下子類，像這樣：

1 class DerivedClass1 : public Base2 {3     int c;4 public:5     void DerivedCommonFunction();6     void virtual VirtualFunction();7     void virtual VirtualFunction2();8 };

我們既覆寫父類的虛函數，也有新添的虛函數，那麼可以料想的到，是下面的這種記憶體分布：

下面來討論多重繼承，代碼如下：

 1 class Base 2 { 3     int a; 4     int b; 5 public: 6     void CommonFunction(); 7     void virtual VirtualFunction(); 8 }; 9 10 11 class DerivedClass1: public Base12 {13     int c;14 public:15     void DerivedCommonFunction();16     void virtual VirtualFunction();17 };18 19 class DerivedClass2 : public Base20 {21     int d;22 public:23     void DerivedCommonFunction();24     void virtual VirtualFunction();25 };26 27 class DerivedDerivedClass : public DerivedClass1, public DerivedClass228 {29     int e;30 public:31     void DerivedDerivedCommonFunction();32     void virtual VirtualFunction();33 };

記憶體分布從父類到子類，依次如下：

Base中有一個虛表指標，地址位移為0

 

DerivedClass1繼承了Base，記憶體排布是先父類後子類。

DerivedClass2的情況是類似於DerivedClass1的。

 

下面我們重點看看這個類DerivedDerivedClass，由外向內看，它並列地排布著繼承而來的兩個父類DerivedClass1與DerivedClass2，還有自身的成員變數e。DerivedClass1包含了它的成員變數c，以及Base，Base有一個0地址位移的虛表指標，然後是成員變數a和b；DerivedClass2的記憶體排布類似於DerivedClass1，注意到DerivedClass2裡面竟然也有一份Base。

這裡有兩份虛表了，分別針對DerivedClass1與DerivedClass2，在&DerivedDericedClass_meta下方的數字是首地址位移量，靠下面的虛表的那個-16表示指向這個虛表的虛指標的記憶體位移，這正是DerivedClass2中的{vfptr}在DerivedDerivedClass的記憶體位移。

 

如果採用虛繼承，像下面這樣：

 1 class DerivedClass1: virtual public Base 2 { 3     int c; 4 public: 5     void DerivedCommonFunction(); 6     void virtual VirtualFunction(); 7 }; 8  9 class DerivedClass2 : virtual public Base10 {11     int d;12 public:13     void DerivedCommonFunction();14     void virtual VirtualFunction();15 };16 17 class DerivedDerivedClass :  public DerivedClass1, public DerivedClass218 {19     int e;20 public:21     void DerivedDerivedCommonFunction();22     void virtual VirtualFunction();23 };

Base類沒有變化，但往下看：

DerivedClass1就已經有變化了，原來是先排虛表指標與Base成員變數，vfptr位於0地址位移處；但現在有兩個虛表指標了，一個是vbptr，另一個是vfptr。vbptr是這個DerivedClass1對應的虛表指標，它指向DerivedClass1的虛表vbtable，另一個vfptr是虛基類表對應的虛指標，它指向vftable。

下面列出了兩張虛表，第一張表是vbptr指向的表，8表示{vbptr}與{vfptr}的位移；第二張表是vfptr指向的表，-8指明了這張表所對應的虛指標位於記憶體的位移量。

DerivedClass2的記憶體分布類似於DerivedClass1，同樣會有兩個虛指標，分別指向兩張虛表（第二張是虛基類表）。

下面來仔細看一下DerivedDerivedClass的記憶體分布，這裡面有三個虛指標了，但base卻只有一份。第一張虛表是內含DerivedClass1的，20表示它的虛指標{vbptr}離虛基表指標{vfptr}的距離，第二張虛表是內含DerivedClass2的，12表示它的虛指標{vbptr}離虛基表指標{vfptr}的距離，最後一張表是虛基表，-20指明了它對應的虛指標{vfptr}在記憶體中的位移。

 

虛繼承的作用是減少了對基類的重複，代價是增加了虛表指標的負擔（更多的虛表指標）。

下面總結一下（當基類有虛函數時）：

1. 每個類都有虛指標和虛表；

2. 如果不是虛繼承，那麼子類將父類的虛指標繼承下來，並指向自身的虛表（發生在物件建構時）。有多少個虛函數，虛表裡面的項就會有多少。多重繼承時，可能存在多個的基類虛表與虛指標；

3. 如果是虛繼承，那麼子類會有兩份虛指標，一份指向自己的虛表，另一份指向虛基表，多重繼承時虛基表與虛基表指標有且只有一份。

 

C++類記憶體分布