C++类内存分布

布满荆棘的人生 2022-05-26 20:45 178阅读 0赞

**1 环境搭建**

书上类继承相关章节到这里就结束了，这里不妨说下C++内存分布结构，我们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。

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：

![212358143654257.png][]

![212358479275704.png][]

先选择左侧的C/C++->命令行，然后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。近期的VS版本都支持这样配置。

**2 单继承**

下面可以定义一个类，像下面这样：

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

然后编译一下，可以看到输出框里面有这样的排布：

![212359379599852.png][]

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。

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）：

![220000220686776.png][]

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。

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();
    	void virtual VirtualFunction();
    };

![220001084432042.png][]

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，我们逐个看。VS所带编译器是把虚表指针放在了内存的开始处（0地址偏移），然后再是成员变量；下面生成了虚表，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，为2的虚函数列出来。

编译器是在构造函数创建这个虚表指针以及虚表的。

那么编译器是如何利用虚表指针与虚表来实现多态的呢？是这样的，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；同样，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();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，接着由Derived\*到Base\*的转换并没有改变虚表指针，所以这时候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，这就是多态了。

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：

![220002019746289.png][]

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是一样的。

我们把子类换个代码，像这样：

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

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

![220002497091339.png][]

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，那么在构造时，虚表指针就会指向这个虚表，以后如果调用的是VirtualFunction，那么会从父类中寻找对应的虚函数，如果调用的是VirtualFunction2，那么会从子类中寻找对应的虚函数。

我们再改造一下子类，像这样：

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

我们既覆写父类的虚函数，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：

![220003334745535.png][]

**2 多继承**

下面来讨论多重继承，代码如下：

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();
    };

内存分布从父类到子类，依次如下：

![220004229126797.png][]

Base中有一个虚表指针，地址偏移为0

![220004425373169.png][]

DerivedClass1继承了Base，内存排布是先父类后子类。

![220007072561990.png][]

DerivedClass2的情况是类似于DerivedClass1的。

![220007386158609.png][]

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。

![220008052879760.png][]

这里有两份虚表了，分别针对DerivedClass1与DerivedClass2，在&DerivedDericedClass\_meta下方的数字是首地址偏移量，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。

**4 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();
    };

![220009095219671.png][]

Base类没有变化，但往下看：

![220009304744070.png][]

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。

![220009516629695.png][]

![220010092877411.png][]

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）。

![220010299593596.png][]

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。

![220010585069675.png][]

![220011105526595.png][]

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）。

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。

**本文转自：**

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

[212358143654257.png]: /images/20220527/52b3f108154e4595b9c2022f8718287e.png
[212358479275704.png]: /images/20220527/86f92143cf754645a039363797428066.png
[212359379599852.png]: /images/20220527/804fdb267cb245d9996fbe994cb55f32.png
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[220001084432042.png]: /images/20220527/e4a1f9178d384ece968cbd301a38a962.png
[220002019746289.png]: /images/20220527/8c03b5bc241f4d98995bc76d39f24a07.png
[220002497091339.png]: /images/20220527/0c72cfe27dc64832ac36e612805ddcb0.png
[220003334745535.png]: /images/20220527/785d0c5d94b14b4391f73a71783eb30b.png
[220004229126797.png]: /images/20220527/df3fa822b11047479e76ae5366594fb9.png
[220004425373169.png]: /images/20220527/00a0d07838d6447bb827f28ebd6c890b.png
[220007072561990.png]: /images/20220527/0ab81eaabe3d48689d96b6509e3cc613.png
[220007386158609.png]: /images/20220527/7709d19756724f91b2c172583529b3ec.png
[220008052879760.png]: /images/20220527/d83196440e454f12af0bbdca42a6cdf3.png
[220009095219671.png]: /images/20220527/78aa36b015bb4727be576f0d535354a2.png
[220009304744070.png]: /images/20220527/13664dc4f6e5456e8a72cd8b22701d26.png
[220009516629695.png]: /images/20220527/72cef305df4e48189e7e6c759a29271e.png
[220010092877411.png]: /images/20220527/a48e64e9cc9f4d9685a43e379b51bb33.png
[220010299593596.png]: /images/20220527/ad5f679f917440bc922a164dd71f8472.png
[220010585069675.png]: /images/20220527/2af47f90796f4de5a6f15bbc9ff9f0ef.png
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