C++继承中的内存布局
今天在网上看到了一篇写得非常好的文章，是有关c++类继承内存布局的。看了之后获益良多，现在转在我自己的博客里面，作为以后复习之用。
——谈VC++对象模型
（美）简.格雷
程化 译
译者前言
一个C++程序员，想要进一步提升技术水平的话，应该多了解一些语言的语意细节。对于使用VC++的程序员来说，还应该了解一些VC++对于C++的诠释。 Inside the C++ Object Model虽然是一本好书，然而，书的篇幅多一些，又和具体的VC++关系小一些。因此，从篇幅和内容来看，译者认为本文是深入理解C++对象模型比较好的一个出发点。
这篇文章以前看到时就觉得很好，旧文重读，感觉理解得更多一些了，于是产生了翻译出来，与大家共享的想法。虽然文章不长，但时间有限，又若干次在翻译时打盹睡着，拖拖拉拉用了小一个月。
一方面因本人水平所限，另一方面因翻译时经常打盹，错误之处恐怕不少，欢迎大家批评指正。
本文原文出处为MSDN。如果你安装了MSDN，可以搜索到C++ Under the Hood。否则也可在网站上找到http://msdn.microsoft.com/archive/default.asp?url=/archive/en-us/dnarvc/html/jangrayhood.asp。
1 前言
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。
本文着重回答这样一些问题：
1* 类如何布局？
2* 成员变量如何访问？
3* 成员函数如何访问？
4* 所谓的“调整块”（adjuster thunk）是怎么回事？
5* 使用如下机制时，开销如何：
* 单继承、多重继承、虚继承
* 虚函数调用
* 强制转换到基类，或者强制转换到虚基类
* 异常处理
首先，我们顺次考察C兼容的结构（struct）的布局，单继承，多重继承，以及虚继承；
接着，我们讲成员变量和成员函数的访问，当然，这里面包含虚函数的情况；
再接下来，我们考察构造函数，析构函数，以及特殊的赋值操作符成员函数是如何工作的，数组是如何动态构造和销毁的；
最后，简单地介绍对异常处理的支持。
对每个语言特性，我们将简要介绍该特性背后的动机，该特性自身的语意（当然，本文决不是“C++入门”，大家对此要有充分认识），以及该特性在微软的 VC++中是如何实现的。这里要注意区分抽象的C++语言语意与其特定实现。微软之外的其他C++厂商可能提供一个完全不同的实现，我们偶尔也会将 VC++的实现与其他实现进行比较。
2 类布局
本节讨论不同的继承方式造成的不同内存布局。
2.1 C结构（struct）
由于C++基于C，所以C++也“基本上”兼容C。特别地，C++规范在“结构”上使用了和C相同的，简单的内存布局原则：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。所有的C/C++厂商都保证他们的C/C++编译器对于有效的C结构采用完全相同的布局。这里，A是一个简单的C结构，其成员布局和对齐方式都一目了然
1 struct A 2 { 3 char c; 4 int a; 5 };
译者注：从上图可见，A在内存中占有8个字节，按照声明成员的顺序，前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。
2.2 有C++特征的C结构
当然了，C++不是复杂的C，C++本质上是面向对象的语言：包含继承、封装以及多态 。原始的C结构经过改造，成了面向对象世界的基石——类。除了成员变量外，C++类还可以封装成员函数和其他东西。
然而，有趣的是，除非为了实现虚函数和虚继承引入的隐藏成员变量外，C++类实例的大小完全取决于一个类及其基类的成员变量！成员函数基本上不影响类实例的大小。
这里提供的B是一个C结构，然而，该结构有一些C++特征：控制成员可见性的“public/protected/private”关键字、成员函数、静态成员以及嵌套的类型声明。虽然看着琳琅满目，实际上，只有成员变量才占用类实例的空间。要注意的是，C++标准委员会不限制由“public/protected/private”关键字分开的各段在实现时的先后顺序，因此，不同的编译器实现的内存布局可能并不相同。（ 在VC++中，成员变量总是按照声明时的顺序排列）。
1 struct B 2 { 3 4 public: 5 int bm1; 6 protected: 7 int bm2; 8 private: 9 int bm3; 10 static int bsm; 11 12 void bf(); 13 void static bsf(); 14 typedef void* bpf; 15 16 };
译者注：B中，为何static int bsm不占用内存空间？因为它是静态成员，该数据存放在程序的数据段中，不在类实例中。
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下面说一下自己上课学到的东西：
从设计者的角度分析，为什么要引入一个静态数据成员和静态的成员函数？当时Stroustrup为什么要弄这两个东西呢？里面有没有配套的体系架构呢？
首先了解某个函数中的static变量，它是一个局部静态的变量，能在同一个函数不同调用间进行共享信息，做到了函数的作用域，全局的生存期。
同时类的静态数据成员，起到的作用就是类的作用域，全局的生存期。类的静态数据成员，把原来全局变量的一些东西弄到类的里面（仅仅是形式上，具体的实现还是类似全局的样子）。这样就不会受到全局变量的拖累，有利于复用。否则你把自己的类给别人用，还必须带着个全局变量，就好比你去找工作，还要带着你“二大爷”，这样将会是十分的麻烦。
正如上面所说的，类的静态数据成员，仅仅是形式上的（有利于复用，你的类直接给别人用，不用拖拉着个全局变量），具体的实现还是类似全局的样子。类的静态数据成员，不属于任何一个实例化的类的对象，是所有的对象共享，在内存中就一份值。那么就带来了另一个问题：怎么找到这个类的静态数据成员？首先引入下面的概念：
类的每个普通成员函数（当然包括类的构造函数）都是带有this指针的，虽然你写成员函数的时候从来不写这个this指针，但是编译器会自动的在你的成员函数的参数列表中增添一个this指针。
this指针：指向当前对象的指针（当前是一个动态的，运行时的概念，谁当前处于激活的状态，this指针就指向它）。
上面的图示，就是编译器在你的每个普通的成员函数的参数列表中自动的加入的this指针，这个this指针的作用很大。因为同一个类的所有的对象共享一份放在代码区的代码，那么这一份代码怎么区分每个对象，从而操作正确的对象的数据呢？靠的就是this指针。例如：当有下面的语句时：a.f1(oneInt,twoInt);
在调用的时候，a就把自己的地址给调用函数的this指针，这样就使代码中的函数指向了a，从而准确的处理a的数据。
上面的分析就是说，类的成员函数都带this指针，能找到调用它的对象及该对象的数据成员，但是却找不到静态数据成员，因为他不属于某个对象。也就说不能用类的构造函数初始化静态数据成员。解决这个问题的方案就是：
弄一套配套的静态成员函数，专门负责处理类内的静态数据成员，这个静态的成员函数没有this指针（编译器不会帮你添加this指针）。
也就是说静态成员函数只能访问静态的数据成员，不能访问普通的数据成员，因为它没有this指针。
普通的成员函数只能访问普通的数据成员，不能访问静态的数据成员，因为它有this指针，而静态数据成员不属于某一个对象，所以this指针无法指向静态数据成员。
当然我们见过这样的引用静态的数据成员：
对象.静态数据成员;
但是后台的处理机制是：
类:静态数据成员;（建议这样用）
静态数据成员和静态成员函数在windows编程中的一个重要的应用：
在windows编程中，CallBack（回调）机制：你写好函数实现，等着别人来调用。
所以windows是主调函数负责形参压栈，但是os是不管你用什么语言实现的，也就是说他不会管你在成员函数中到底有没有加this指针，默认的是不会给你预留this指针的栈空间的。所以不能用普通的成员函数做线程函数（它带有this，会使主调函数开的栈空间很乱），只能用static成员函数，因为它没有this指针。因此线程函数（静态成员函数）所操作的数据理所当然的应当是静态数据成员。
作用域：对应源代码，这个东西是给人看的。
生存期：这个才是机器关注的。
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2.3 单继承
C++提供继承的目的是在不同的类型之间提取共性。比如，科学家对物种进行分类，从而有种、属、纲等说法。有了这种层次结构，我们才可能将某些具备特定性质的东西归入到最合适的分类层次上，如“怀孩子的是哺乳动物”。由于这些属性可以被子类继承，所以，我们只要知道“鲸鱼、人”是哺乳动物，就可以方便地指出“鲸鱼、人都可以怀孩子”。那些特例，如鸭嘴兽（生蛋的哺乳动物），则要求我们对缺省的属性或行为进行覆盖（重写）。
C++中的继承语法很简单，在子类后加上“:base”就可以了。下面的D继承自基类C。
