C++ 對象的內存佈局(上)

前言

 

07年12月，我寫了一篇《 C++虛函數表解析 》的文章，引發了你們的興趣。有不少朋友對個人文章留了言，有鼓勵個人，有批評個人，還有不少問問題的。我在這裏一併對你們的留言表示感謝。這也是我爲何再寫一篇續言的緣由。由於，在上一篇文章中，我用了的示例都是很是簡單的，主要是爲了說明一些機理上的問題，也是爲了圖一些表達上方便和簡單。不想，這篇文章成爲了打開C++對象模型內存佈局的一個引子，引起了你們對C++對象的更深層次的討論。固然，我以前的文章還有不少方面沒有涉及，從我我的感受下來，在談論虛函數表裏，至少有如下這些內容沒有涉及：

1）有成員變量的狀況。

2）有重複繼承的狀況。

3）有虛擬繼承的狀況。

4）有鑽石型虛擬繼承的狀況。

 

這些都是我本篇文章須要向你們說明的東西。因此，這篇文章將會是《 C++虛函數表解析 》的一個續篇，也是一篇高級進階的文章。我但願你們在讀這篇文章以前對C++有必定的基礎和了解，並能先讀個人上一篇文章。由於這篇文章的深度可能會比較深，並且會比較雜亂，我但願你在讀本篇文章時不會有大腦思惟紊亂致使大腦死機的狀況。;-)

 

對象的影響因素

 

簡而言之，咱們一個類可能會有以下的影響因素：

 

1）成員變量

2）虛函數（產生虛函數表）

3）單一繼承（只繼承於一個類）

4）多重繼承（繼承多個類）

5）重複繼承（繼承的多個父類中其父類有相同的超類）

6）虛擬繼承（使用virtual方式繼承，爲了保證繼承後父類的內存佈局只會存在一份）

上述的東西一般是C++這門語言在語義方面對對象內部的影響因素，固然，還會有編譯器的影響（好比優化），還有字節對齊的影響。在這裏咱們都不討論，咱們只討論C++語言上的影響。

 

本篇文章着重討論下述幾個狀況下的C++對象的內存佈局狀況。

 

1）單一的通常繼承（帶成員變量、虛函數、虛函數覆蓋）

2）單一的虛擬繼承（帶成員變量、虛函數、虛函數覆蓋）

3）多重繼承（帶成員變量、虛函數、虛函數覆蓋）

4）重複多重繼承（帶成員變量、虛函數、虛函數覆蓋）

5）鑽石型的虛擬多重繼承（帶成員變量、虛函數、虛函數覆蓋）

 

咱們的目標就是，讓事情愈來愈複雜。

 

知識複習

 

咱們簡單地複習一下，咱們能夠經過對象的地址來取得虛函數表的地址，如：

 

          typedef void(*Fun)(void);

 

            Base b;

 

            Fun pFun = NULL;

 

            cout << " 虛函數表地址： " << (int*)(&b) << endl;

            cout << " 虛函數表 — 第一個函數地址： " << (int*)*(int*)(&b) << endl;

 

            // Invoke the first virtual function 

            pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));

            pFun();

 

咱們一樣能夠用這種方式來取得整個對象實例的內存佈局。由於這些東西在內存中都是連續分佈的，咱們只須要使用適當的地址偏移量，咱們就能夠得到整個內存對象的佈局。

 

本篇文章中的例程或內存佈局主要使用以下編譯器和系統：

1）Windows XP 和 VC++ 2003

2）Cygwin 和 G++ 3.4.4

 

單一的通常繼承

 

下面，咱們假設有以下所示的一個繼承關係：

 

 

請注意，在這個繼承關係中，父類，子類，孫子類都有本身的一個成員變量。而了類覆蓋了父類的f()方法，孫子類覆蓋了子類的g_child()及其超類的f()。

 

咱們的源程序以下所示：

 

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; }

};

咱們使用如下程序做爲測試程序：（下面程序中，我使用了一個int** pVtab 來做爲遍歷對象內存佈局的指針，這樣，我就能夠方便地像使用數組同樣來遍歷全部的成員包括其虛函數表了，在後面的程序中，我也是用這樣的方法的，請沒必要感到奇怪，）

 

    typedef void(*Fun)(void);

    GrandChild gc;

   

 

    int** pVtab = (int**)&gc;

 

    cout << "[0] GrandChild::_vptr->" << endl;

    for (int i=0; (Fun)pVtab[0][i]!=NULL; 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;

 

其運行結果以下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）

 

[0] GrandChild::_vptr->     [0] GrandChild::f()     [1] Parent::g()     [2] Parent::h()     [3] GrandChild::g_child()     [4] Child::h1()     [5] GrandChild::h_grandchild() [1] Parent.iparent = 10 [2] Child.ichild = 100 [3] GrandChild.igrandchild = 1000

 

使用圖片表示以下：

 

 

 

 

可見如下幾個方面：

1）虛函數表在最前面的位置。

2）成員變量根據其繼承和聲明順序依次放在後面。

3）在單一的繼承中，被overwrite的虛函數在虛函數表中獲得了更新。

 

 

 

 

 

多重繼承

 

下面，再讓咱們來看看多重繼承中的狀況，假設有下面這樣一個類的繼承關係。注意：子類只overwrite了父類的f()函數，而還有一個是本身的函數（咱們這樣作的目的是爲了用g1()做爲一個標記來標明子類的虛函數表）。並且每一個類中都有一個本身的成員變量：

 

 

 

 

咱們的類繼承的源代碼以下所示：父類的成員初始爲10，20，30，子類的爲100

 

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; }

};

 

咱們經過下面的程序來查看子類實例的內存佈局：下面程序中，注意我使用了一個s變量，其中用到了sizof(Base)來找下一個類的偏移量。（由於我聲明的是int成員，因此是4個字節，因此沒有對齊問題。關於內存的對齊問題，你們能夠自行試驗，我在這裏就很少說了）

 

             typedef void(*Fun)(void);

               Derive d;

 

                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();

 

                Fun = (Fun)pVtab[s][1];

                cout << "     [1] "; pFun();

 

                pFun = (Fun)pVtab[s][2];

                cout << "     [2] "; pFun();

 

                pFun = (Fun)pVtab[s][3];

                out << "     [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;

 

其運行結果以下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）

[0] Base1::_vptr->      [0] Derive::f()      [1] Base1::g()      [2] Base1::h()      [3] Driver::g1()      [4] 00000000      ç 注意：在GCC下，這裏是1 [1] Base1.ibase1 = 10 [2] Base2::_vptr->      [0] Derive::f()      [1] Base2::g()      [2] Base2::h()      [3] 00000000      ç 注意：在GCC下，這裏是1 [3] Base2.ibase2 = 20 [4] Base3::_vptr->      [0] Derive::f()      [1] Base3::g()      [2] Base3::h()      [3] 00000000 [5] Base3.ibase3 = 30 [6] Derive.iderive = 100

使用圖片表示是下面這個樣子：

 

 

 

咱們能夠看到：

1）  每一個父類都有本身的虛表。

2）  子類的成員函數被放到了第一個父類的表中。

3）  內存佈局中，其父類佈局依次按聲明順序排列。

4）  每一個父類的虛表中的f()函數都被overwrite成了子類的f()。這樣作就是爲了解決不一樣的父類類型的指針指向同一個子類實例，而可以調用到實際的函數。