C++ 内存布局：深入理解C++内存布局

1、虚函数简介

虚函数的实现要求对象携带额外的信息，这些信息用于在运行时确定该对象应该调用哪一个虚函数。典型情况下，这一信息具有一种被称为vptr（virtual table pointer，虚函数表指针）的指针的形式。vptr 指向一个被称为 vtbl（virtual table，虚函数表）的函数指针数组，每一个包含虚函数的类都关联到
vtbl。当一个对象调用了虚函数，实际的被调用函数通过下面的步骤确定：找到对象的 vptr 指向的 vtbl，然后在 vtbl 中寻找合适的函数指针。

虚拟函数的地址翻译取决于对象的内存地址，而不取决于数据类型(编译器对函数调用的合法性检查取决于数据类型)。如果类定义了虚函数，该类及其派生类就要生成一张虚拟函数表，即vtable。而在类的对象地址空间中存储一个该虚表的入口，占4个字节，这个入口地址是在构造对象时由编译器写入的。所以，由于对象的内存空间包含了虚表入口，编译器能够由这个入口找到恰当的虚函数，这个函数的地址不再由数据类型决定了。故对于一个父类的对象指针，调用虚拟函数，如果给他赋父类对象的指针，那么他就调用父类中的函数，如果给他赋子类对象的指针，他就调用子类中的函数(取决于对象的内存地址)。

2、C++中含有虚函数的内存分布

涉及到虚函数的内存分布往往比较复杂，除了考虑其本身所带来的额外的内存开销，还要考虑继承等所带来的问题。针对这一方面，我们按照如下的步骤逐一解决。

1）、单个含有虚函数的类

2）、基类含有虚函数，使用普通继承，派生类中不含虚函数

3）、基类含有虚函数，使用普通继承，派生类中含有虚函数

4）、基类不含有虚函数，使用虚继承，派生类中不含虚函数

5）、基类不含虚函数，使用虚继承，派生类中含有虚函数

6）、基类含有虚函数，使用虚继承，派生类中不含虚函数

7）、基类含有虚函数，使用虚继承，派生类中含有虚函数

8）、基类含有虚函数，使用虚继承，向下派生多次

9）、基类含有虚函数，多继承

2.1 含有虚函数的单个类

#include <iostream>

template<typename T>
class CPoint
{
public:
	CPoint()
	{
		_x = 0;
		_y = 0;
		_z = 0;
	}

	virtual void setX(T newX)
	{
		//std::cout << "CPoint setX" << std::endl;
		_x = newX;
	}
	virtual void setY(T newY)
	{
		_y = newY;
	}
	virtual void setZ(T newZ = 0)
	{
		_z = newZ;
	}

	virtual T getX() const
	{
		return _x;
	}

	virtual T getY() const
	{
		return _y;
	}

	virtual T getZ() const
	{
		return _z;
	}

protected:
	T _x;
	T _y;
	T _z;
};

void main()
{
	CPoint<double> m_Point;
	std::cout <<"CPoint:"<<	sizeof(m_Point) << std::endl;
	std::cin.get();
}

上面的程序输出结果如下：

上述的代码输出为32,一方面和内存布局有关，另一方面还和内存对齐有关。类模板实例化为double，构建一个对象，对象中有三个数据成员，每个数据成员占8字节。

m_Point对象的内存布局如上图所示，可以看到m_Point内部除了三个成员变量之外，还有一个_vfptr,_vfptr是一个虚函数表的指针，保存的是虚函数表的地址。m_Point内部一共有5个虚函数，所以对应的虚函数表中便有5个与虚函数对应得地址。

由于虚函数表指针占据4个字节，并且处于类的内存地址起始处，所以整个类一共占据32个字节。

2.2基类含有虚函数，使用普通继承，派生类中不含虚函数

修改上面的代码，得到如下的内容

#include <iostream>

template<typename T>
class CPoint
{
public:
	CPoint()
	{
		_x = 0;
		_y = 0;
		_z = 0;
	}

	virtual void setX(T newX)
	{
		//std::cout << "CPoint setX" << std::endl;
		_x = newX;
	}
	virtual void setY(T newY)
	{
		_y = newY;
	}
	virtual void setZ(T newZ = 0)
	{
		_z = newZ;
	}

	virtual T getX() const
	{
		return _x;
	}

	virtual T getY() const
	{
		return _y;
	}

	virtual T getZ() const
	{
		return _z;
	}

protected:
	T _x;
	T _y;
	T _z;
};

template<typename T>
class CPoint2D :  public CPoint<T>
{
public:
	CPoint2D()
	{
		_x = 0;
		_y = 0;
		_z = 0;
	}

	CPoint2D(T x, T y, T z = 0)
	{
		_x = x;
		_y = y;
		_z = z;
	}

	CPoint2D(const CPoint2D &point2D)
	{
		_x = point2D.getX();
		_y = point2D.getY();
		_z = point2D.getZ();
	}

	const CPoint2D& operator = (const CPoint2D& point2D)
	{
		if (this == &point2D)
			return *this;

		_x = point2D.getX();
		_y = point2D.getY();
		_z = point2D.getZ();
	}

	void operator +(const CPoint2D& point2D)
	{
		_x += point2D.getX();
		_y += point2D.getY();
		_z += point2D.getZ();
	}

	void operator -(const CPoint2D &point2D)
	{
		_x -= point2D.getX();
		_y -= point2D.getY();
		_z -= point2D.getZ();
	}
};

<pre name="code" class="cpp">void main()
{
	CPoint<double> m_Point;

	CPoint2D<double> m_Point2D(0.0,0.0);
	std::cout <<"CPoint:"<<	sizeof(m_Point) << std::endl;
	std::cout <<"CPoint2D:"<< sizeof(m_Point2D)<< std::endl;
	std::cout <<"CPoint2D::getZ:"<< sizeof(&CPoint2D<double>::getZ) << std::endl;

	std::cin.get();
}

上面的代码输出得到如下的内容

最后一个输出的是一个函数指针的大小，在没有虚继承的情况下，在X86(Win 32Debug)系统上输出是4.

整个类的大小为32字节，我们看一下内存分布就明白了

可以看到m_Point2D的内存布局和m_Point的内存布局很类似。一个虚函数表指针，然后三个成员变量。虚函数表中的内容和m_Point中的一摸一样。这是因为CPoint2D
是从CPoint继承过来的。

2.3基类含有虚函数，使用普通继承，派生类中含有虚函数

继续修改上面的代码，得到如下的内容

#include <iostream>

template<typename T>
class CPoint
{
public:
	CPoint()
	{
		_x = 0;
		_y = 0;
		_z = 0;
	}

	virtual void setX(T newX)
	{
		//std::cout << "CPoint setX" << std::endl;
		_x = newX;
	}
	virtual void setY(T newY)
	{
		_y = newY;
	}
	virtual void setZ(T newZ = 0)
	{
		_z = newZ;
	}

	virtual T getX() const
	{
		return _x;
	}

	virtual T getY() const
	{
		return _y;
	}

	virtual T getZ() const
	{
		return _z;
	}

protected:
	T _x;
	T _y;
	T _z;
};

template<typename T>
class CPoint2D :  public CPoint<T>
{
public:
	CPoint2D()
	{
		_x = 0;
		_y = 0;
		_z = 0;
	}

	CPoint2D(T x, T y, T z = 0)
	{
		_x = x;
		_y = y;
		_z = z;
	}

	CPoint2D(const CPoint2D &point2D)
	{
		_x = point2D.getX();
		_y = point2D.getY();
		_z = point2D.getZ();
	}

	const CPoint2D& operator = (const CPoint2D& point2D)
	{
		if (this == &point2D)
			return *this;

		_x = point2D.getX();
		_y = point2D.getY();
		_z = point2D.getZ();
	}

	void operator +(const CPoint2D& point2D)
	{
		_x += point2D.getX();
		_y += point2D.getY();
		_z += point2D.getZ();
	}

	void operator -(const CPoint2D &point2D)
	{
		_x -= point2D.getX();
		_y -= point2D.getY();
		_z -= point2D.getZ();
	}

	virtual T getZ() const
	{
		std::cout << "CPoint2D:"<<sizeof(CPoint2D<T>::getZ()) << std::endl;
		return 0;
	}

	virtual void setZ(T newZ = 0)
	{
		//std::cout << "CPoint2D:" << sizeof(CPoint2D::setZ()) << std::endl;
		_z = 0;
	}
};

void main()
{
	CPoint<double> m_Point;

	CPoint2D<double> m_Point2D(0.0,0.0);
	std::cout <<"CPoint:"<<	sizeof(m_Point) << std::endl;
	std::cout <<"CPoint2D:"<< sizeof(m_Point2D)<< std::endl;
	std::cout <<"CPoint2D::getZ:"<< sizeof(&CPoint2D<double>::getZ) << std::endl;

	std::cin.get();
}

上面的代码输出内容如下所示：

内存布局如下：

输出的内容和之前派生类中没有虚函数的一样，但是内存布局发生了变化。变化体现在_vfptr中，_vfptr中有4个地址是和CPoint中的一样，2个不一样，这是因为在CPoint2D中，重写了CPoint中的两个虚函数，从而派生类中的虚函数覆盖了父类中的虚函数。这地方的重写不仅仅是函数名相同，还要保证函数的参数类型，参数个数，函数的返回形式也和基类中的一致。

从上面的例子中我们可以得出以下的结论：

1）、类中一旦出现虚函数，编译器便会给其分配一个虚函数表，虚函数表指针的大小和编译器有关。

2）、派生类中如果对父类的虚函数进行了重写，那么派生类中的虚函数会覆盖父类的虚函数，体现在上图的虚函数表中的地址发生了变化。

3）、虚函数表指针总是处于类的地址的开始处，所以在计算类的大小时要注意这一点。

2.4基类不含有虚函数，使用虚继承，派生类中不含虚函数

这一次使用前一章节的代码，对前一章节的代码进行修改，得到如下的内容

#include <iostream>
using namespace std;

class CBase
{
	//public
public:
	CBase()
	{

	}
};

class CBaseClass
{
	//private members
private:
	int nCount;

	//public members
public:

	//private member funcs
private:
	CBaseClass(const CBaseClass &base)
	{

	}

	CBaseClass &operator = (const CBaseClass& base)
	{
		return *this;
	}

	//public members
public:
	CBaseClass(int count = 0)
	{
		nCount = count;
	}
	~CBaseClass()
	{

	}
};

class CBaseClassNew
{
	//private members
private:
	int nCount;

	//public members
public:
	int nNewCount;
	//private member funcs
private:
	CBaseClassNew(const CBaseClassNew &base)
	{

	}

	CBaseClassNew &operator = (const CBaseClassNew& base)
	{
		return *this;
	}

	//public members
public:
	CBaseClassNew(int count = 0)
	{
		nCount = count;
	}
	~CBaseClassNew()
	{

	}
};

class CDerivedClass : virtual public CBaseClass
{
	//private members:
private:
	int nDeriveCount;

	//public members
public:
	int nCurrentNum;

	//private member funcs
private:
	CDerivedClass(const CDerivedClass& derived)
	{

	}

	CDerivedClass & operator = (const CDerivedClass &derived)
	{
		return *this;
	}
	//public member funcs
public:
	CDerivedClass(int nDerived = 0)
	{
		nDeriveCount = nDerived;
		nCurrentNum = 0;
	}

};

void main()
{
	CBase base;
	cout << "base Size:" << sizeof(base) << endl;

	CBaseClass baseClass(10);
	cout << "baseClass Size:" << sizeof(baseClass) << endl;

	CDerivedClass derivedClass(12);
	cout << "derivedClass Size:" << sizeof(derivedClass) << endl;

	cin.get();

}

上述代码的输出内容如下

CBase
中只有一个构造函数，所以占一个字节

CBaseClass中有一个成员变量，为int型，所以占4个字节

CDerivedClass中自身的2个成员变量和基类中的1个成员变量均是int型，一共12个字节。CDerivedClass使用的是虚继承，这导致在派生类中会产生一个指针指向基类，所以派生类的大小为14字节。

其内存分布如下图所示：

因为篇幅太长，剩下的内容后面再说了。

时间： 2024-10-27 18:03:18

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