深入探索C++物件模型（1）

轉自：http://www.cnblogs.com/tracylee/archive/2012/12/18/2822431.html

在實際生產中，遇到一個複雜的類，如果能看出這個類的記憶體模型結構，那麼以後的操作基本就沒有難度的；所以說，學會分析一個類的記憶體模型，是每一個C++程式員必須要會的知識。

（1）C++類封裝和C中的結構體的區別

C++的類封裝是在C語言中的結構體的基礎上構建起來的，C結構體只允許存在資料，而不會存在對資料的操作。C++語言中延承C語言中的結構體，但增加的對資料的操作，即成員函數；類是對結構體的進一步封裝，使某些資料成員對外不可見，稱為私人成員。

類和結構體最大的區別就是：結構體成員均是public類型的。

那麼，類和結構體的布局成本有沒有區別呢？對於只有資料成員的類和結構體在記憶體的布局是相同的，沒有增加成本。而members functions 雖然含在class的聲明之內，卻不出現在object之中。每一個non-inline member fuction 只會誕生一個函數實體，調用時連結至函數體。至於每一個"擁有零個或一個定義"的inline
function則會在其每一個調用者（模組）身上產生一個函數實體。

在C++中，有兩種class data members:static和nonstatic，以及三種class member functions:static、nonstatic和virtual。在C++物件模型中，非待用資料成員被配置在每一個class
object之內，待用資料成員則被存在個別的class object之外，靜態和非靜態成員函數也被放在個別的class object之外。

c++在布局及存取時間上主要的額外負擔是由virtual引起。包括：

   1.virtual function 機制  用以支援一個有效率的"執行期綁定"  

   2.virtual base class 用以實現"多次出現在整合體系中的base class，

有一個單一而被共用的實體。無論是含有虛函數還是虛擬繼承，類都會產生一個虛函數表，同時每一個對象都會含有一個Vptr指標指向虛擬函數表。

虛擬函數的實現

1.每一個class產生一堆指向虛函數的指標，放在表格之中，這個表格被稱為virtual table(vtbl)；

2.每一個class object被安插一個指標，指向相關的virtual table。這個指標通常被稱為vptr。vptr的設定和重設都由每一個類的建構函式、解構函式和賦值操作符重載函數自動完成且一旦完成初始化不能修改。每一個類所關聯的type_info object（主要用於RTTI）也經由virtual
table被指出來，通常放在表格的第一個slot。

多重繼承模型：

C++最初採用的繼承模型時間基類對象中的資料成員直接存放在繼承類對象記憶體中，包括基類對象的虛函數表和虛指標（貌似現在也是這樣的模型），這樣就可以對基類成員進行最有效率的存取，然而缺點是如果基類成員有任何的修改將會導致基類對象和繼承類對象的重新編譯。

有人提出一種間接存模數型：在繼承類對象中放置一指標Bptr，該指標指向繼承類的基類表，類似與虛函數表，基類表中每一項都指向繼承類對象的基類對象。這樣的好處是，基類對象的任何改變嗎都不會影響到繼承類對象的記憶體布局，缺點是導致對基類對象成員的存取效率低，隨著繼承深度的增加，間接性越強，效率越低。

因此又有人提出，在繼承類對象中放置與基類相等數目的指標指向每個基類，這樣存取時間就恒久不變了，但是這樣無疑增加了繼承類的記憶體開銷。

目前使用的多重繼承模型仍為第一種，繼承類對象中含有所有基類對象資料成員和虛指標，同時繼承基類的虛函數表共用為繼承類的虛函數表。

虛擬繼承模型：

虛擬繼承保證繼承類中只含有一個基類對象，繼承類中會產生虛指標指向虛表中offset指向繼承類中的基類對象。只有直接虛繼承的繼承類對象才會產生Vptr。

目前，關於虛擬繼承的繼承類的記憶體布局有三種模型：

1、原始模型：在每個繼承類對象中設定指標，用以指向繼承類中的基類對象。優點：通過指標能夠保證繼承類中只有一個基類對象，可以直接存取基類對象。缺點：若繼承類有多個虛擬基類，則需要多個指標指向基類們，會消耗較多的記憶體。

2、有人提出像虛函數表一樣，提供一個虛擬基類表virtual base class table，表中每個slot指向一個基類對象的地址。在繼承類對象中，設定一個虛擬基類表指標指向基類表。優點：繼承類減少了因虛擬基類指標而產生的開銷，且繼承類不會因為虛擬基類的增加而改變記憶體模型。缺點：存取基類對象資料成員會導致效率低下。

3、現在最常用的模型：擴充原Virtual table，在虛表負offset位置指向虛基類對象，因此，只要是虛繼承就會產生虛指標和虛表。

虛擬多繼承，採用“鑽石”繼承結構，其每個類的記憶體分布如：其中虛指標的位置可以在頂部或尾部。