C++中類的大小問題

以下的討論都是在不用#pragma pack( num )下的結果，num表示以多少個位元組對齊。

初學者在學習物件導向的程式設計語言時，或多或少的都些疑問，我們寫的代碼與最終生編譯成的代碼卻　大相徑庭，我們並不知道編譯器在後台做了什麼工作．這些都是由於我們僅停留在語言層的原因，所謂語言層就是教會我們一些基本的文法法則，但不會告訴我們為什麼這麼做？今天和大家談的一點感悟就是我在學習編程過程中的一點經驗，是編譯器這方面的一個具體功能．

首先：我們要知道什麼是類的執行個體化，所謂類的執行個體化就是在記憶體中分配一塊地址．

那我們先看看一個例子：

#include<iostream.h>class a {};class b{};class c:public a{virtual void fun()=0;};class d:public b,public c{};int main(){cout<<"sizeof(a)"<<sizeof(a)<<endl;cout<<"sizeof(b)"<<sizeof(b)<<endl;cout<<"sizeof(c)"<<sizeof(c)<<endl;cout<<"sizeof(d)"<<sizeof(d)<<endl;return 0;}

程式執行的輸出結果為：

sizeof(a) =1sizeof(b)=1sizeof(c)=4sizeof(d)=8

上面是在VC++6.0編譯的結果，但是在Dev-C++和Code::Blocks下得出的結果是 sizeof( d ) = 4

為什麼會出現這種結果呢？初學者肯定會很煩惱是嗎？類a，b明明是空類，它的大小應該為為０，為什麼　編譯器輸出的結果為１呢？這就是我們剛才所說的執行個體化的原因（空類同樣可以被執行個體化），每個執行個體在記憶體中都有一個獨一無二的地址，為了達到這個目的，編譯器往往會給一個空類隱含的加一個位元組，這樣空類在執行個體化後在記憶體得到了獨一無二的地址．所以a，b的大小為１．

而類c是由類a派生而來，它裡面有一個純虛函數，由於有虛函數的原因，有一個指向虛函數的指標（vptr），在３２位的系統分配給指標的大小為４個位元組，所以最後得到c類的大小為４．

類d的大小更讓初學者疑惑吧，類d是由類b，c派生邇來的，它的大小應該為二者之和５，為什麼卻是８　　呢？這是因為為了提高執行個體在記憶體中的存取效率．類的大小往往被調整到系統的整數倍．並採取就近的法則，裡哪個最近的倍數，就是該類的大小，所以類d的大小為８個位元組．

當然在不同的編譯器上得到的結果可能不同，但是這個實驗告訴我們初學者，不管類是否為空白類，均可被執行個體化（空類也可被執行個體化），每個被執行個體都有一個獨一無二的地址．

我所用的編譯器為vc++ 6.0．

下面我們再看一個例子．

#include<iostream.h>class a{pivate: int data;};class b{ private:     int data;static int data1;};int b::data1=0;void main(){cout<<"sizeof(a)="<<sizeof(a)<<endl;cout<<"sizeof(b)="<<sizeof(b)<<endl;}

執行結果為：

sizeof(a)=4;

sizeof(b)=4;

為什麼類b多了一個資料成員，卻大小和類a的大小相同呢？因為：類b的待用資料成員被編譯器放在程式的一個global data members中，它是類的一個資料成員．但是它不影響類的大小，不管這個類實際產生　了多少執行個體，還是派生了多少新的類，靜態成員資料在類中永遠只有一個實體存在，而類的非待用資料成員只有被執行個體化的時候，他們才存在．但是類的待用資料成員一旦被聲明，無論類是否被執行個體化，它都已存在．可以這麼說，類的待用資料成員是一種特殊的全域變數．

所以a，b的大小相同．

下面我們看一個有建構函式，和解構函式的類的大小，它又是多大呢？

#include<iostream.h>class A{public :A(int a){   x=a;}void f(int x){   cout<<x<<endl;}~A(){}private:   int x;   int g;   };class B{public:private:int data; int data2;static int xs;};int B::xs=0;void main(){A s(10);s.f(10);cout<<"sozeof(a)"<<sizeof(A)<<endl;cout<<"sizeof(b)"<<sizeof(B)<<endl;}

程式執行輸出結果為：10 ,sizeof(a) 8sizeof(b) 8

它們的結果均相同，可以看出類的大小與它當中的建構函式，解構函式，以及其他的成員函數無關，只與它當中的成員資料有關．

從以上的幾個例子不難發現類的大小：

１．為類的非靜態成員資料的類型大小之和．

２．有編譯器額外加入的成員變數的大小，用來支援語言的某些特性（如：指向虛函數的指標）．

３．為了最佳化存取效率，進行的邊緣調整．

４　與類中的建構函式，解構函式以及其他的成員函數無關．

虛繼承之單繼承的記憶體布局

先看一段代碼

class A{      virtual aa(){};};class B : public virtual  A{      char j[3];                     //加入一個變數是為了看清楚class中的vfptr放在什麼位置      public:            virtual bb(){};};class C : public virtual B{      char i[3];      public:            virtual cc(){}

};

這次先不給結果，先分析一下，也好加強一下印象。
1、對於class A，由於只有一個虛函數，那麼必須得有一個對應的虛函數表，來記錄對應的函數入口地址。同時在class A的記憶體空間中之需要有個vfptr_A指向該表。sizeof（A）也很容易確定，為4。
2、對於class B，由於class B虛基礎了class A，同時還擁有自己的虛函數。那麼class B中首先擁有一個vfptr_B，指向自己的虛函數表。還有char j[3]，做一次alignment，一般大小為4。可虛繼承該如何?咧？首先要通過加入一個虛l類指標（記vbptr_B_A）來指向其父類，然後還要包含父類的所有內容。有些複雜了，不過還不難想象。sizeof（B）= 4＋4＋4＋4＝16（vfptr_B、char
j[3]做alignment、vbptr_B_A和class A）。
3、在接著是class C了。class C首先也得有個vfptr_C，然後是char i[3]，然後是vbptr_C_B，然後是class B，所以sizeof（C）＝4＋4＋4＋16＝28（vfptr_C、char i[3]做alignment、vbptr_C_A和class B）。

 

在VC 6.0下寫了個程式，把上面幾個類的大小列印出來，果然結果為4、16、28。

VC中虛繼承的記憶體布局——單繼承

 

class A的情況太簡單，沒問題。從class B的記憶體布局圖可以得出下面的結論。
1、vf_ptr B放在了類的首部，那麼如果要想直接拿memcpy完成類的複製是很危險的，用struct也是不行的。

2、vbtbl_ptr_B，為什麼不是先前我描述的vbptr_B_A呢？因為這個指標與我先前猜測的內容有很大區別。這個指標指向的是class B的虛類表。看看VB table，VB table有兩項，第一項為FFFFFFFC，這一項的值可能沒啥意義，可能是為了保證虛類表不為空白吧。第二項為8，看起來像是class B中的class A相對該vbtbl_ptr_B的位移，也就是一個offset。類似的方法在C＋＋ Object
Model（P121）有介紹，可以去看看。
class C的記憶體布局就比較複雜了，不過它的記憶體布局也更一步說明我對vbtbl_ptr_B中的內容，也就是虛類表的理解是正確的。不過值得關注的是class B中的class A在布局時被移到前面去了，雖然整個大小沒變，但這樣一來如果做這樣的操作  C c; B *b;b=&c;時b的操作如何呢？此時只要從c的虛類表裡獲得class B的位置既可賦值給b。但是在構建class C時會複雜一些，後面的使用還是非常簡單的，效率也比較高。class
A的記憶體布局被前移可能是考慮倒C的虛繼承順序吧。

 

結論
1、VC在編譯時間會把vfptr放到類的頭部；
2、VC採用虛表指標（vbtbl_ptr）來確定某個類所繼承的虛類。
3、VC會重新調整虛繼承的父類在子類中記憶體布局。（具體規則還不清楚）
4、VC中虛類表中的第一項是無意義的，可能是為了保證sizeof（虛類表）!=0;後面的內容為父類在子類中相對該虛類表指標的位移量。

 #include <iostream> #include <cstdio> using namespace std;  class Base { public:     Base(){};     virtual ~Base(){};     void set_num( int num ) {         a = num;     }     virtual int get_num() {         return a;     } private:     int a;     char *p; };  class Derive : public Base { public:     Derive() : Base(){};     ~Derive(){};     virtual int get_num() {         return d;     } private:     static int st;     int d;     char *p;     char c; };  int main() {     cout << sizeof( Base ) << endl;     cout << sizeof( Derive ) << endl;      return 0; }

在Base類裡添加了virtual int get_num()函數，而子類也重新實現了virtual int get_num()函數。

但是結果是

12

24

說明子類只是共用父類的虛函數表，因此一旦父類裡有虛函數，子類的虛函數將不計入sizeof大小。

一個基類和一個衍生類別這個抽象的類概念裡是各一張虛表。 但是在一個具體的類的執行個體裡，比如衍生類別對象，其只有一個虛表入口地址，且指向衍生類別這個抽象的類概念的那個虛表