深入理解C++对象模型

　　C++对象模型是比较重要的一个知识点，学习C++对象的内存模型，就可以明白C++中的多态原理、类的初始化顺序问题、类的大小问题等。

1 C++对象模型基础

1.1 C++对象中都有哪些东东

C++对象中包括以下内容：

• 静态常量
• 成员变量
• 成员函数
• 虚函数
• 纯续函数
• ...

以下是一个对象的定义：

class Base
{
    static int b_s;
public:
    void function() { }
    virtual void v_function() {
        cout << "Base v_function()" << endl;
    }
private:
    int b_a;
    int b_b;
};

1.2 一个C++对象有多大

　　假如使用Base类作为测试，那Base类在内存中占用几个字节呢？

window7 vs2013测试结果：

centos7 64位 vim测试结果：

　　通过以上两个测试结果图分析可知，一个类的占用内存大小由以下成员决定：

• 其非静态成员的总和大小
• 加上任何由于对齐的需求而填补(padding)上去的空间
  • 如果类中只有非静态成员，比如char c; 则其大小为1。
  • 如果除了char c;外，还有int a; 则其大小为8
• 加上为了支持virtual而由内部产生的额外负担

1.3 C++中一些重要的语法糖

• 静态常量整数成员(double就不行)在class内部直接初始化
• 静态成员只能在类外初始化，且初始化时不加static
• 基类够构造函数中调用virtual函数实际调用的是基类中的virtual函数(这点和Java不同)
• const成员函数：不修改类成员数据

 

2 C++对象内存布局

测试代码如下：

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
    static int b_s;
public:
    void function() { }
    virtual void v_function() {
        cout << "Base v_function()" << endl;
    }

    int b_a;
    int b_b;
};
int Base::b_s = 0;
int main(int argc, char **argv)
{
    Base base;

    base.b_a = 1;
    base.b_b = 2;
    cout << "size: " << sizeof(base) << endl;

    int *p = (int *) &base;
    cout << *p << endl;
    p++;
    cout << *p << endl;
    p++;
    cout << *p << endl;

    system("pause");
    return 0;
}

输出结果为：

　　输出结果中的1和2为类中b_a和b_b成员的值，11459700表示一个地址，改地址包含有虚表的信息。Base类的大致内存布局如下：

2.1 一个空类大小为多少呢

class Empty { };

int main(int argc, char **argv)
{
    Empty empty;
    Empty emptys[10];

    cout << sizeof(empty) << endl;
    cout << sizeof(emptys) << endl;

    system("pause");
    return 0;
}

输出结果为：

　　空类中什么都没有，但是定义一个空类类型的变量(实例)，每个实例在内存中都有一个独一无二的地址，为了达到这个目的，编译器往往会给一个空类隐含的加一个字节，这样空类在实例化后在内存得到了独一无二的地址。

2.2 C++对象继承体系下的类初始化关系

（1）从太空角度看类初始化顺序

　　基类初始化 – 子类初始化

（2）从空中角度看类初始化顺序

　　基类静态成员 – 子类静态成员 – 基类成员变量 –基类构造函数 – 子类成员变量 – 子类构造函数

（3）站到地上看类初始化顺序

　　基类静态成员 – 子类静态成员 – (设置v_ptr/基类成员变量 ) –基类构造函数 – (设置v_ptr/子类成员变量) – 子类构造函数

 

3 C++类中的虚表

3.1 虚表指针及虚表结构

1. 一个类中有一个虚表指针，指向对应的虚表，一个类只会有一个虚表，每个虚表有多个”插槽”，每个插槽存放一个虚函数的地址。
2. 插槽中的内容可以被覆盖，子类如果重写了父类中的虚函数，则插槽中对应位置的数据被覆盖。
3. 虚表存放的是虚函数地址，不管该虚函数是public还是private的。

3.2 多重继承下的虚表

　　多重继承中支持虚函数，其复杂度围绕在第二个以及后继的基类身上，以及“必须在执行期调整this指针”。

class Base1 {
public:
    Base1();
    virtual ~Base1();
    virtual void speakClearly();
    virtual Base1 *clone() const;
protected:
    float data_Base1;
};
class Base2 {
public:
    Base2();
    virtual ~Base2();
    virtual void number();
    virtual Base2 *clone() const;
protected:
    float data_Base2;
};
class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    Derived();
    virtual ~Derived();
    virtual Derived *clone() const;
protected:
    float data_Derived;
};

3.3 虚拟继承下的虚表结构

　　关于什么是虚拟继承请点击：虚继承-百度百科。

class Point2d {
public:
    Point2d(float = 0.0, float = 0.0);
    virtual ~Point2d();

    virtual void mumble();
    virtual float z();
    // ... other code
protected:
    float _x, _y;
};

class Point3d : virtual public Point2d {
public:
    Point3d(float = 0.0, float = 0.0, float = 0.0);
    ~Point3d();
    float z();
protected:
    float _z;
};

3.4 虚表指针什么时候赋值

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
    Base() {
        cout << "Base()" << endl;
        show();
        int *p = &b;
        cout << "Base::b: " << p << endl;
        p--;
        cout << "Base::vptr: " << *p << endl;
        cout << "*Base::vptr: " << *(int *)*p << endl;
        cout << endl;
    }

    virtual void show() {
        cout << "Base::show()" << endl;
    }
public:
    int b;
};
class Derived : public Base
{
public:
    Derived()
    {
        cout << "Derived()" << endl;
        show();
        int *p = &b;
        cout << "Derived::b: " << p << endl;
        p--;
        cout << "Derived::vptr: " << *p << endl;
        cout << "*Derived::vptr: " << *(int *)*p << endl;
        cout << endl;
    }
    virtual void show() {
        cout << "Derived::show()" << endl;
    }
private:
    int d;
};

int main(int argc, char **argv)
{
    Base base;
    Derived derived;

    system("pause");
    return 0;
}

输出结果为：

　　从输出结果中可以得出，子类在构造过程中虚表指针会被赋值2次。初始化如下：

基类静态成员 – 子类静态成员 – (设置v_ptr/基类成员变量 ) –基类构造函数 – (设置v_ptr/子类成员变量) – 子类构造函数

 

参考：

　　1、《深度探索C++对象模型》

　　2、c++空类实例大小不是0原因