第2.1篇-HotSpot VM源码分析之C++对象的内存布局
HotSpot采用了OOP-Klass模型来描述Java类和对象。OOP（Ordinary Object Pointer）指的是普通对象指针，而Klass用来描述对象的具体类型。为了更好理解这个模型，首先要介绍一下C++的内存对象模型和虚函数。
这里只简单介绍一下，如果要深入了解C++对象模型，建议阅读《深度探索C++对象模型》一书。
1、C++类对象的内存布局
我们使用Visual Studio工具来查看C++对象的内存布局，所以需要在当前项目上右键单击选择“属性”后，打开属性页，在配置属性->C/C++->命令行下的其它选项文本框中配置如下命令：
/d1 reportAllClassLayout
这样，运行main()函数后就会打印出对应的内存布局。如果想要指定看某个类的内存布局时，可以配置命令：
/d1 reportSingleClassLayoutXXX // XXX表示类名
内存布局的原则，简单来说就是：成员变量按其被声明的顺序排列，按具体实现所规定的对齐原则在内存地址上对齐。
class Base1{
public:
char base1_var1;
int base1_var2;
static int base1_var3;
void func(){}
};
输出的布局如下：
1> class Base1 size(8): 1> +--- 1> 0 | base1_var1 1> | <alignment member> (size=3) 1> 4 | base1_var2 1> +---
根据如上的布局结果可知：
1、类内部的成员变量：
- 普通的变量要占用内存，按照声明成员的先后顺序进行布局（类内偏移从0开始），但是要注意对齐原则。对于如上实例来说，4个字节包含一个字符（实际占用1个字节，3个字节空着，补对齐），后4个字节包含一个整数。A的指针就指向字符开始字节处。
- static修饰的静态变量不占用内容，原因是编译器将其放在全局变量区。
2、类内部的成员函数：
- 普通函数不占用内存。
- 虚函数要占用8个字节，用来指定虚拟函数表的入口地址。
空类也会占用内存空间的，而且大小是1，原因是C++要求每个实例在内存中都有独一无二的地址。
下面继续讨论有继承的情况，如下：
class Base1{
public:
char base1_var1;
int base1_var2;
static int base1_var3;
void func(){}
};
class Derived1:public Base1{
public:
int derived1_var1;
};
输出的布局如下：
1> class Derived1 size(12): 1> +--- 1> | +--- (base class Base1) 1> 0 | | base1_var1 1> | | <alignment member> (size=3) 1> 4 | | base1_var2 1> | +--- 1> 8 | derived1_var1 1> +---
可以看到，子类继承了父类的成员变量，在内存布局上，先是布局了父类的成员变量（父类的内存分布不变），接着布局子类的成员变量。
在HotSpot VM中，经常需要计算类本身需要占用的内存大小，只要通过sizeof来计算即可。编写main() 函数来测试：
void main(int argc,char *argv[]){
cout << "Base1的大小" << sizeof(Base1) << endl;
cout << "Derived1的大小" << sizeof(Derived1) << endl;
system("pause"); // 为了让运行程序停止，以便察看结果
}
运行后打印结果如下：
Base1的大小8
Derived1的大小12
2、虚函数
HotSpot VM采用了OOP-Klass模型来描述Java类和对象。那么为何要设计这样一个一分为二的对象模型呢？因为类和对象本来就不是一个概念，分别使用不同的对象模型描述符合软件开发的设计思想。另外英文注释也说明了其中的一个原因：
One reason for the oop/klass dichotomy in the implementation is that we don't want a C++ vtbl pointer in every object. Thus,
normal oops don't have any virtual functions. Instead, they forward all "virtual" functions to their klass, which does have
a vtbl and does the C++ dispatch depending on the object's actual type. (See oop.inline.hpp for some of the forwarding code.)
根据注释描述，HotSopt VM的设计者不想让每个对象中都含有一个vtable（虚函数表），所以就把对象模型拆成Klass和oop，其中oop中不含有任何虚函数，而Klass就含有虚函数表，可以进行方法分发。
我们简单介绍一下虚函数是如何影响C++中对象的内存布局的。
1、只含有数据成员的对象
class Base1{
public:
int base1_var1;
int base1_var2;
};
对象的内存布局如下：
1> class Base1 size(8): 1> +--- 1> 0 | base1_var1 1> 4 | base1_var2 1> +---
可以看到，成员变量是按照定义的顺序来保存的，类对象的大小就是所有成员变量的大小之和。
2、没有虚函数的对象
class Base1{
public:
int base1_var1;
int base1_var2;
void func(){}
};
C++中有方法的动态分派，就类似于Java中方法的多态。而C++实现动态分派主要就是通过虚函数来完成的，非虚函数在编译时就已经确定调用目标。C++中的虚函数通过关键字virtual来声明，如上函数func()没有virtual关键字，所以是非虚函数。
查看内存布局，如下：
1> class Base1 size(8): 1> +--- 1> 0 | base1_var1 1> 4 | base1_var2 1> +---
非虚函数不会影响内存布局。
3、含有虚函数的对象
class Base1{
public:
int base1_var1;
int base1_var2;
virtual void base1_fun1() {}
};
内存布局如下：
1> class Base1 size(16):
1> +---
1> 0 | {vfptr}
1> 8 | base1_var1
1> 12 | base1_var2
1> +---
在64位环境下，指针占用8字节，而vfptr就是指向虚函数表（vtable）的指针，其类型为void**, 这说明它是一个void*指针。类似于在类Base1中定义了如下类似的伪代码：
void* vtable[1] = { &Base1::base1_fun1 };
const void** vfptr = &vtable[0];
另外我们还可以看到，虚函数指针vfptr位于所有的成员变量之前。
我们在上面的例子中再添加一个虚函数，如下：
virtual void base1_fun2() {}
内存布局如下：
1> class Base1 size(16):
1> +---
1> 0 | {vfptr}
1> 8 | base1_var1
1> 12 | base1_var2
1> +---
可以看到，内存布局无论有一个还是多个虚函数都是一样的，改变的只是vfptr指向的虚函数表中的项。类似于在类Base1中定义了如下类似的伪代码：
void* vtable[] = { &Base1::base1_fun1, &Base1::base1_fun2 };
const void** vfptr = &vtable[0];
4、继承类对象
class Base1{
public:
int base1_var1;
int base1_var2;
virtual void base1_fun1() {}
virtual void base1_fun2() {}
};
class Derive1 : public Base1{
public:
int derive1_var1;
int derive1_var2;
};
查看Derive1对象的内存布局，如下：
1> class Derive1 size(24):
1> +---
1> | +--- (base class Base1)
1> 0 | | {vfptr}
1> 8 | | base1_var1
1> 12 | | base1_var2
1> | +---
1> 16 | derive1_var1
1> 20 | derive1_var2
1> +---
可以看到，基类在上边, 继承类的成员在下边，并且基类的内存布局与之前介绍的一模一样。继续来改造如上的实例，为派生类Derive1添加一个与基本base1_fun1()函数一模一样的虚函数，如下：
class Base1{
public:
int base1_var1;
int base1_var2;
virtual void base1_fun1() {}
virtual void base1_fun2() {}
};
class Derive1 : public Base1{
public:
int derive1_var1;
int derive1_var2;
virtual void base1_fun1() {} // 覆盖基类函数
};
布局如下：
1> class Derive1 size(24):
1> +---
1> | +--- (base class Base1)
1> 0 | | {vfptr}
1> 8 | | base1_var1
1> 12 | | base1_var2
1> | +---
1> 16 | derive1_var1
1> 20 | derive1_var2
1> +---
基本的布局没变，不过由于发生了虚函数覆盖，所以虚函数表中的内容已经发生了变化，类似于在类Derive1中定义了如下类似的伪代码：
void* vtable[] = { &Derive1::base1_fun1, &Base1::base1_fun2 };
const void** vfptr = &vtable[0];
可以看到，vtable[0]指针指向的是Derive1::base1_fun1()函数。所以当调用Derive1对象的base1_fun1()函数时，会根据虚函数表找到Derive1::base1_fun1()函数进行调用，而当调用Base1对象的base1_fun1()函数时，由于Base1对象的虚函数表中的vtable[0]指针指向Base1::base1_func1()函数，所以会调用Base1::base1_fun1()函数。是不是和Java中方法的多态很像？那么HotSpot虚拟机是怎么实现Java方法的多态呢？我们后续在讲解Java方法时会详细介绍。
下面继续看虚函数的相关实例，如下：
class Base1{
public:
int base1_var1;
int base1_var2;
virtual void base1_fun1() {}
virtual void base1_fun2() {}
};
class Derive1 : public Base1{
public:
int derive1_var1;
int derive1_var2;
virtual void derive1_fun1() {}
};
对象的内存布局如下：
1> class Derive1 size(24):
1> +---
1> | +--- (base class Base1)
1> 0 | | {vfptr}
1> 8 | | base1_var1
1> 12 | | base1_var2
1> | +---
1> 16 | derive1_var1
1> 20 | derive1_var2
1> +---
对象的内存布局没有改变，改变的仍然是虚函数表，类似于在类Derive1中定义了如下类似的伪代码：
void* vtable[] = { &Derive1::base1_fun1, &Base1::base1_fun2，&Derive1::derive1_fun1 };
const void** vfptr = &vtable[0];
可以看到，在虚函数表中追加了&Derive1::derive1_fun1()函数。
好了，关于对象的布局我们就简单的介绍到这里，因为毕竟不是在研究C++，只要够我们研究HotSpot VM时使用就够了，更多关于内存布局的知识请参考其它文章或书籍。
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