C++ 对象的内存布局(上)
2012-04-27 00:02 Rollen Holt 阅读(947) 评论(0) 编辑 收藏 举报原文地址：http://blog.csdn.net/haoel/article/details/3081328
为尊重原作者的创作成果，所以原文全部内容都会保留，但是会适当添加我的理解。
前言
07年12月，我写了一篇《C++虚函数表解析》的文章，引起了大家的兴趣。有很多朋友对我的文章留了言，有鼓励我的，有批评我的，还有很多问问题的。我在这里一并对大家的留言表示感谢。这也是我为什么再写一篇续言的原因。因为，在上一篇文章中，我用了的示例都是非常简单的，主要是为了说明一些机理上的问题，也是为了图一些表达上方便和简单。不想，这篇文章成为了打开C++对象模型内存布局的一个引子，引发了大家对C++对象的更深层次的讨论。当然，我之前的文章还有很多方面没有涉及，从我个人感觉下来，在谈论虚函数表里，至少有以下这些内容没有涉及：
1）有成员变量的情况。
2）有重复继承的情况。
3）有虚拟继承的情况。
4）有钻石型虚拟继承的情况。
这些都是我本篇文章需要向大家说明的东西。所以，这篇文章将会是《C++虚函数表解析》的一个续篇，也是一篇高级进阶的文章。我希望大家在读这篇文章之前对C++有一定的基础和了解，并能先读我的上一篇文章。因为这篇文章的深度可能会比较深，而且会比较杂乱，我希望你在读本篇文章时不会有大脑思维紊乱导致大脑死机的情况。;-)
对象的影响因素
简而言之，我们一个类可能会有如下的影响因素：
1）成员变量
2）虚函数（产生虚函数表）
3）单一继承（只继承于一个类）
4）多重继承（继承多个类）
5）重复继承（继承的多个父类中其父类有相同的超类）
6）虚拟继承（使用virtual方式继承，为了保证继承后父类的内存布局只会存在一份）
上述的东西通常是C++这门语言在语义方面对对象内部的影响因素，当然，还会有编译器的影响（比如优化），还有字节对齐的影响。在这里我们都不讨论，我们只讨论C++语言上的影响。
本篇文章着重讨论下述几个情况下的C++对象的内存布局情况。
1）单一的一般继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）
2）单一的虚拟继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）
3）多重继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）
4）重复多重继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）
5）钻石型的虚拟多重继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）
我们的目标就是，让事情越来越复杂。
知识复习
我们简单地复习一下，我们可以通过对象的地址来取得虚函数表的地址，如：
typedef void(*Fun)(void);
Base b;
Fun pFun = NULL;
cout << "虚函数表地址：" << (int*)(&b) << endl;
cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
// Invoke the first virtual function
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
pFun();我们同样可以用这种方式来取得整个对象实例的内存布局。因为这些东西在内存中都是连续分布的，我们只需要使用适当的地址偏移量，我们就可以获得整个内存对象的布局。
本篇文章中的例程或内存布局主要使用如下编译器和系统：
1）Windows 7 和 VC++ 2010
2）Cygwin 和 G++ 3.4.4
单一的一般继承
下面，我们假设有如下所示的一个继承关系：
请注意，在这个继承关系中，父类，子类，孙子类都有自己的一个成员变量。而了类覆盖了父类的f()方法，孙子类覆盖了子类的g_child()及其超类的f()。
我们的源程序如下所示：
#include <iostream>
using namespace std;
class Parent {
public:
int iparent;
Parent ():iparent (10) {}
virtual void f() { cout << " Parent::f()" << endl; }
virtual void g() { cout << " Parent::g()" << endl; }
virtual void h() { cout << " Parent::h()" << endl; }
};
class Child : public Parent {
public:
int ichild;
Child():ichild(100) {}
virtual void f() { cout << "Child::f()" << endl; }
virtual void g_child() { cout << "Child::g_child()" << endl; }
virtual void h_child() { cout << "Child::h_child()" << endl; }
};
class GrandChild : public Child{
public:
int igrandchild;
GrandChild():igrandchild(1000) {}
virtual void f() { cout << "GrandChild::f()" << endl; }
virtual void g_child() { cout << "GrandChild::g_child()" << endl; }
virtual void h_grandchild() { cout << "GrandChild::h_grandchild()" << endl; }
};
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
typedef void(*Fun)(void);
GrandChild gc;
Fun pFun=NULL;
int** pVtab = (int**)&gc;
cout << "[0] GrandChild::_vptr->" << endl;
/*for (int i=0; (Fun)pVtab[0][i]!=NULL; ++i){*/
//本人注释 测试环境win7+VS2010 经过调试发现此环境下虚函数并不是以NULL结尾，所以原文修改为如下：
for (int i=0; i<6; ++i){
pFun = (Fun)pVtab[0][i];
cout << " ["<<i<<"] ";
pFun();
}
cout << "[1] Parent.iparent = " << (int)pVtab[1] << endl;
cout << "[2] Child.ichild = " << (int)pVtab[2] << endl;
cout << "[3] GrandChild.igrandchild = " << (int)pVtab[3] << endl;
return 0;
}
使用图片表示如下：（红色部分为本人修改）
可见以下几个方面：
1）虚函数表在最前面的位置。
2）成员变量根据其继承和声明顺序依次放在后面。
3）在单一的继承中，被overwrite的虚函数在虚函数表中得到了更新。
多重继承
下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类只overwrite了父类的f()函数，而还有一个是自己的函数（我们这样做的目的是为了用g1()作为一个标记来标明子类的虚函数表）。而且每个类中都有一个自己的成员变量：
我们的类继承的源代码如下所示：父类的成员初始为10，20，30，子类的为100
#include <iostream>
using namespace std;
class Base1 {
public:
int ibase1;
Base1():ibase1(10) {}
virtual void f() { cout << "Base1::f()" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base1::g()" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base1::h()" << endl; }
};
class Base2 {
public:
int ibase2;
Base2():ibase2(20) {}
virtual void f() { cout << "Base2::f()" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base2::g()" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base2::h()" << endl; }
};
class Base3 {
public:
int ibase3;
Base3():ibase3(30) {}
virtual void f() { cout << "Base3::f()" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base3::g()" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base3::h()" << endl; }
};
class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
int iderive;
Derive():iderive(100) {}
virtual void f() { cout << "Derive::f()" << endl; }
virtual void g1() { cout << "Derive::g1()" << endl; }
};
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
typedef void(*Fun)(void);
Derive d;
Fun pFun=NULL;
int** pVtab = (int**)&d;
cout << "[0] Base1::_vptr->" << endl;
pFun = (Fun)pVtab[0][0];
cout << " [0] ";
pFun();
pFun = (Fun)pVtab[0][1];
cout << " [1] ";pFun();
pFun = (Fun)pVtab[0][2];
cout << " [2] ";pFun();
pFun = (Fun)pVtab[0][3];
cout << " [3] "; pFun();
pFun = (Fun)pVtab[0][4];
cout << " [4] "; cout<<pFun<<endl;
cout << "[1] Base1.ibase1 = " << (int)pVtab[1] << endl;
int s = sizeof(Base1)/4;
cout << "[" << s << "] Base2::_vptr->"<<endl;
pFun = (Fun)pVtab[s][0];
cout << " [0] "; pFun();
pFun = (Fun)pVtab[s][1];
cout << " [1] "; pFun();
pFun = (Fun)pVtab[s][2];
cout << " [2] "; pFun();
pFun = (Fun)pVtab[s][3];
cout << " [3] ";
cout<<pFun<<endl;
cout << "["<< s+1 <<"] Base2.ibase2 = " << (int)pVtab[s+1] << endl;
s = s + sizeof(Base2)/4;
cout << "[" << s << "] Base3::_vptr->"<<endl;
pFun = (Fun)pVtab[s][0];
cout << " [0] "; pFun();
pFun = (Fun)pVtab[s][1];
cout << " [1] "; pFun();
pFun = (Fun)pVtab[s][2];
cout << " [2] "; pFun();
pFun = (Fun)pVtab[s][3];
cout << " [3] ";
cout<<pFun<<endl;
s++;
cout << "["<< s <<"] Base3.ibase3 = " << (int)pVtab[s] << endl;
s++;
cout << "["<< s <<"] Derive.iderive = " << (int)pVtab[s] << endl;
return 0;
}我们通过上面的程序来查看子类实例的内存布局：上面程序中，注意我使用了一个s变量，其中用到了sizof(Base)来找下一个类的偏移量。（因为我声明的是int成员，所以是4个字节，所以没有对齐问题。关于内存的对齐问题，大家可以自行试验，我在这里就不多说了）
使用图片表示是下面这个样子：
我们可以看到：
1） 每个父类都有自己的虚表。
2） 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。
3） 内存布局中，其父类布局依次按声明顺序排列。
4） 每个父类的虚表中的f()函数都被overwrite成了子类的f()。这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。
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我喜欢程序员，他们单纯、固执、容易体会到成就感；面对压力，能够挑灯夜战不眠不休；面对困难，能够迎难而上挑战自我。他
们也会感到困惑与傍徨，但每个程序员的心中都有一个比尔盖茨或是乔布斯的梦想“用智慧开创属于自己的事业”。我想说的是，其
实我是一个程序员
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