c++对象内存布局
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了解你所使用的编程语言究竟是如何实现的，对于C++程序员可能特别有意义。首先，它可以去除我们对于所使用语言的神秘感，使我们不至于对于编译器干的活感到完全不可思议；尤其重要的是，它使我们在Debug和使用语言高级特性的时候，有更多的把握。当需要提高代码效率的时候，这些知识也能够很好地帮助我们。
简单非多态的内存布局
class X {
int x;
float xx;
public:
X() {}
~X() {}
void printInt() {}
void printFloat() {}
};
| |
|------------------------| <------ X class object memory layout
| int X::x |
|------------------------| stack segment
| float X::xx | |
|------------------------| |
| | \|/
| |
| |
------|------------------------|----------------
| X::X() |
|------------------------| |
| X::~X() | |
|------------------------| \|/
| X::printInt() | text segment
|------------------------|
| X::printFloat() |
|------------------------|
| |
在本示例中
- 只有数据成员存储在堆栈中，且其声明顺序或者存储顺序的行为与编译器强相关
- 所有其他方法（构造函数，析构函数和编译器扩展代码）都进存储在文本段。然后，这些方法将被调用并隐式地在调用对象的第一个参数中传递该指针。
this指针是一个隐含于每一个成员函数中的特殊指针。它是一个指向正在被该成员函数操作的对象，也就是要操作该成员函数的对象。this作用域是在类内部，当对一个对象调用成员函数时，编译程序先将对象的地址赋给this指针，编译器会自动将对象本身的地址作为一个隐含参数传递给函数。也就是说，即使你没有写this指针，编译器在编译的时候也是加上this的，它作为非静态成员函数的隐含形参。被调用的成员函数函数体内所有对类成员的访问，都会被转化为“this->类成员”的方式。
针对第二点，我们类似于：
A x;
x.printInt();
其中，X::printInt()这个行为，在编译器中，将处理为
printInt(const X* this)
那么，x.printInt()调用处理将最终成为
printInt(&x);
同时具有虚函数和静态数据成员的内存布局
class X {
int x;
float xx;
static int count;
public:
X() {}
virtual ~X() {}
virtual void printAll() {}
void printInt() {}
void printFloat() {}
static void printCount() {}
};
其内存布局如下
| |
|------------------------| <------ X class object memory layout
| int X::x |
stack |------------------------|
| | float X::xx |
| |------------------------| |-------|--------------------------|
| | X::_vptr |------| | type_info X |
\|/ |------------------------| |--------------------------|
| o | | address of X::~X() |
| o | |--------------------------|
| o | | address of X::printAll() |
| | |--------------------------|
| |
------|------------------------|------------
| static int X::count | /|\
|------------------------| |
| o | data segment
| o | |
| | \|/
------|------------------------|------------
| X::X() |
|------------------------| |
| X::~X() | |
|------------------------| |
| X::printAll() | \|/
|------------------------| text segment
| X::printInt() |
|------------------------|
| X::printFloat() |
|------------------------|
| static X::printCount() |
|------------------------|
| |
- 所有非静态数据成员都按照声明的顺序将空间放入堆栈中，与前面的示例顺序相同。
- 静态数据成员将空间放入内存的数据段中。使用范围解析运算符（即：:)进行的访问。但是在编译之后，就没有像作用域和名称空间那样的东西了。因为，它的名称只是由编译器执行，所以所有内容都由其绝对或相对地址引用。
- 静态数据成员将空间放入内存的数据段中。使用范围解析运算符（即：:)进行的访问。
- 静态方法进入文本段，并通过作用域解析运算符进行调用。
- 对于virtual关键字，编译器会自动将指向虚拟表的指针（vptr）插入对象内存表示中。通常，虚拟表是在数据段中为每个类静态创建的，但它也取决于编译器的实现。
- 在虚拟表中，第一个条目指向type_info对象，该对象包含与当前基类和其他基类的DAG（有向无环图）相关的信息（如果从这些基类派生的信息）。
继承对象的内存布局
class X {
int x;
string str;
public:
X() {}
virtual ~X() {}
virtual void printAll() {}
};
class Y : public X {
int y;
public:
Y() {}
~Y() {}
void printAll() {}
};
其内存布局信息如下
| |
|------------------------------| <------ Y class object memory layout
| int X::x |
stack |------------------------------|
| | int string::len |
| |string X::str ----------------|
| | char* string::str |
\|/ |------------------------------| |-------|--------------------------|
| X::_vptr |------| | type_info Y |
|------------------------------| |--------------------------|
| int Y::y | | address of Y::~Y() |
|------------------------------| |--------------------------|
| o | | address of Y::printAll() |
| o | |--------------------------|
| o |
------|------------------------------|--------
| X::X() |
|------------------------------| |
| X::~X() | |
|------------------------------| |
| X::printAll() | \|/
|------------------------------| text segment
| Y::Y() |
|------------------------------|
| Y::~Y() |
|------------------------------|
| Y::printAll() |
|------------------------------|
| string::string() |
|------------------------------|
| string::~string() |
|------------------------------|
| string::length() |
|------------------------------|
| o |
| o |
| o |
| |
- 在继承模型中，基类和数据成员类是派生类的子对象。
- 编译器会在类的构造函数中生成具有所有重写的虚拟功能和为_vptr分配虚拟表的代码的虚拟表。
具有多重继承和虚拟功能的对象的内存布局
class X {
public:
int x;
virtual ~X() {}
virtual void printX() {}
};
class Y {
public:
int y;
virtual ~Y() {}
virtual void printY() {}
};
class Z : public X, public Y {
public:
int z;
~Z() {}
void printX() {}
void printY() {}
void printZ() {}
};
内存布局如下
| |
|------------------------------| <------ Z class object memory layout
stack | int X::x |
| |------------------------------| |--------------------------|
| | X:: _vptr |----------------->| type_info Z |
| |------------------------------| |--------------------------|
\|/ | int Y::y | | address of Z::~Z() |
|------------------------------| |--------------------------|
| Y:: _vptr |------| | address of Z::printX() |
|------------------------------| | |--------------------------|
| int Z::z | | |--------GUARD_AREA--------|
|------------------------------| | |--------------------------|
| o | |---------->| type_info Z |
| o | |--------------------------|
| o | | address of Z::~Z() |
| | |--------------------------|
------|------------------------------|--------- | address of Z::printY() |
| X::~X() | | |--------------------------|
|------------------------------| |
| X::printX() | |
|------------------------------| |
| Y::~Y() | \|/
|------------------------------| text segment
| Y::printY() |
|------------------------------|
| Z::~Z() |
|------------------------------|
| Z::printX() |
|------------------------------|
| Z::printY() |
|------------------------------|
| Z::printZ() |
|------------------------------|
| o |
| o |
| |
- 在多继承层次结构中，创建的虚拟表指针（vptr）的确切数目将为N-1，其中N代表类的数目。
- 如果尝试使用任何基类指针调用Z类的方法，则它将使用相应的虚拟表进行调用。如下例子所示：
Y *y_ptr = new Z;
y_ptr->printY(); // OK
y_ptr->printZ(); // Not OK, as virtual table of class Y doesn't have address of printZ() method
- 在上面的代码中，y_ptr将指向完整Z对象内类Y的子对象。
- 结果，调用任何方法，例如使用y_ptr-> printY（）。 使用y_ptr的解析方式如下：
( *y_ptr->_vtbl[ 2 ] )( y_ptr )
虚继承内存布局
class X { int x; };
class Y : public virtual X { int y; };
class Z : public virtual X { int z; };
class A : public Y, public Z { int a; };
其布局如下：
| |
Y class ------> |----------------| <------ A class object memory layout
sub-object | Y::y |
|----------------| |------------------|
| Y::_vptr_Y |------| | offset of X | // offset(20) starts from Y
Z class ------> |----------------| |----> |------------------|
sub-object | Z::z | | ..... |
|----------------| |------------------|
| Z::_vptr_Z |------|
|----------------| |
A sub-object --> | A::a | | |------------------|
|----------------| | | offset of X | // offset(12) starts from Z
X class -------> | X::x | |----> |------------------|
shared |----------------| | ..... |
sub-object | | |------------------|
- 具有一个或多个虚拟基类的派生类的内存表示形式分为两个区域：不变区域和共享区域。
- 不变区域内的数据与对象的起始位置保持固定的偏移量，而与后续派生无关。
- 共享区域包含虚拟基类，并且随后续派生和派生顺序而波动。
总结
了解内存布局，对我们的项目开发会提供很大的便利，比如对coredump的调试
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