C++類內存分佈

書上類繼承相關章節到這裏就結束了，這裏不妨說下C++內存分佈結構，咱們來看看編譯器是怎麼處理類成員內存分佈的，特別是在繼承、虛函數存在的狀況下。

工欲善其事，必先利其器，咱們先用好Visual Studio工具，像下面這樣一步一步來：

 

 

先選擇左側的C/C++->命令行，而後在其餘選項這裏寫上/d1 reportAllClassLayout，它能夠看到全部相關類的內存佈局，若是寫上/d1 reportSingleClassLayoutXXX（XXX爲類名），則只會打出指定類XXX的內存佈局。近期的VS版本都支持這樣配置。

下面能夠定義一個類，像下面這樣：

1 class Base
2 {
3     int a;
4     int b;
5 public:
6     void CommonFunction();
7 };

而後編譯一下，能夠看到輸出框裏面有這樣的排布：

這裏不想花精力在內存對齊因素上，因此成員變量都設爲int型。

從這裏能夠看到普通類的排布方式，成員變量依據聲明的順序進行排列（類內偏移爲0開始），成員函數不佔內存空間。

 

再看下繼承，日後面添加以下代碼：

1 class DerivedClass: public Base
2 {
3     int c;
4 public:
5     void DerivedCommonFunction();
6 };

編譯，而後看到以下的內存分佈（父類的內存分佈不變，這裏只討論子類成員變量的內存分佈）：

能夠看到子類繼承了父類的成員變量，在內存排布上，先是排布了父類的成員變量，接着排布子類的成員變量，一樣，成員函數不佔字節。

 

下面給基類加上虛函數，暫時註釋掉DerivedClass，看一下這時的內存排布：

1 class Base
2 {
3     int a;
4     int b;
5 public:
6     void CommonFunction();
7     void virtual VirtualFunction();
8 };

這個內存結構圖分紅了兩個部分，上面是內存分佈，下面是虛表，咱們逐個看。VS所帶編譯器是把虛表指針放在了內存的開始處（0地址偏移），而後再是成員變量；下面生成了虛表，緊跟在&Base1_meta後面的0表示，這張虛表對應的虛指針在內存中的分佈，下面列出了虛函數，左側的0是這個虛函數的序號，這裏只有一個虛函數，因此只有一項，若是有多個虛函數，會有序號爲1，爲2的虛函數列出來。

編譯器是在構造函數建立這個虛表指針以及虛表的。

那麼編譯器是如何利用虛表指針與虛表來實現多態的呢？是這樣的，當建立一個含有虛函數的父類的對象時，編譯器在對象構造時將虛表指針指向父類的虛函數；一樣，當建立子類的對象時，編譯器在構造函數裏將虛表指針（子類只有一個虛表指針，它來自父類）指向子類的虛表（這個虛表裏面的虛函數入口地址是子類的）。

因此，若是是調用Base *p = new Derived();生成的是子類的對象，在構造時，子類對象的虛指針指向的是子類的虛表，接着由Derived*到Base*的轉換並無改變虛表指針，因此這時候p->VirtualFunction，其實是p->vfptr->VirtualFunction，它在構造的時候就已經指向了子類的VirtualFunction，因此調用的是子類的虛函數，這就是多態了。

 

下面加上子類，並在子類中添加虛函數，像下面這樣：

1 class DerivedClass: public Base
2 {
3     int c;
4 public:
5     void DerivedCommonFunction();
6     void virtual VirtualFunction();
7 };

能夠看到子類內存的排布以下：

上半部是內存分佈，能夠看到，虛表指針被繼承了，且仍位於內存排布的起始處，下面是父類的成員變量a和b，最後是子類的成員變量c，注意虛表指針只有一個，子類並無再生成虛表指針了；下半部的虛表狀況與父類是同樣的。

 

咱們把子類換個代碼，像這樣：

1 class DerivedClass1 : public Base
2 {
3     int c;
4 public:
5     void DerivedCommonFunction();
6     void virtual VirtualFunction2();
7 };

注意到這時咱們並無覆寫父類的虛方法，而是重聲明瞭一個新的子類虛方法，內存分佈以下：

仍是隻有一個虛表指針，可是下方虛表的內容變化了，虛表的0號是父類的VirtualFunction，而1號放的是子類的VirtualFunction2。也就是說，若是定義了DerivedClass的對象，那麼在構造時，虛表指針就會指向這個虛表，之後若是調用的是VirtualFunction，那麼會從父類中尋找對應的虛函數，若是調用的是VirtualFunction2，那麼會從子類中尋找對應的虛函數。

 

咱們再改造一會兒類，像這樣：

1 class DerivedClass1 : public Base
2 {
3     int c;
4 public:
5     void DerivedCommonFunction();
6     void virtual VirtualFunction();
7     void virtual VirtualFunction2();
8 };

咱們既覆寫父類的虛函數，也有新添的虛函數，那麼能夠料想的到，是下面的這種內存分佈：

下面來討論多重繼承，代碼以下：

 1 class Base
 2 {
 3     int a;
 4     int b;
 5 public:
 6     void CommonFunction();
 7     void virtual VirtualFunction();
 8 };
 9 
10 
11 class DerivedClass1: public Base
12 {
13     int c;
14 public:
15     void DerivedCommonFunction();
16     void virtual VirtualFunction();
17 };
18 
19 class DerivedClass2 : public Base
20 {
21     int d;
22 public:
23     void DerivedCommonFunction();
24     void virtual VirtualFunction();
25 };
26 
27 class DerivedDerivedClass : public DerivedClass1, public DerivedClass2
28 {
29     int e;
30 public:
31     void DerivedDerivedCommonFunction();
32     void virtual VirtualFunction();
33 };

內存分佈從父類到子類，依次以下：

Base中有一個虛表指針，地址偏移爲0

 

DerivedClass1繼承了Base，內存排布是先父類後子類。

DerivedClass2的狀況是相似於DerivedClass1的。

 

下面咱們重點看看這個類DerivedDerivedClass，由外向內看，它並列地排布着繼承而來的兩個父類DerivedClass1與DerivedClass2，還有自身的成員變量e。DerivedClass1包含了它的成員變量c，以及Base，Base有一個0地址偏移的虛表指針，而後是成員變量a和b；DerivedClass2的內存排布相似於DerivedClass1，注意到DerivedClass2裏面居然也有一份Base。

這裏有兩份虛表了，分別針對DerivedClass1與DerivedClass2，在&DerivedDericedClass_meta下方的數字是首地址偏移量，靠下面的虛表的那個-16表示指向這個虛表的虛指針的內存偏移，這正是DerivedClass2中的{vfptr}在DerivedDerivedClass的內存偏移。

 

若是採用虛繼承，像下面這樣：

 1 class DerivedClass1: virtual public Base
 2 {
 3     int c;
 4 public:
 5     void DerivedCommonFunction();
 6     void virtual VirtualFunction();
 7 };
 8 
 9 class DerivedClass2 : virtual public Base
10 {
11     int d;
12 public:
13     void DerivedCommonFunction();
14     void virtual VirtualFunction();
15 };
16 
17 class DerivedDerivedClass :  public DerivedClass1, public DerivedClass2
18 {
19     int e;
20 public:
21     void DerivedDerivedCommonFunction();
22     void virtual VirtualFunction();
23 };

Base類沒有變化，但往下看：

DerivedClass1就已經有變化了，原來是先排虛表指針與Base成員變量，vfptr位於0地址偏移處；但如今有兩個虛表指針了，一個是vbptr，另外一個是vfptr。vbptr是這個DerivedClass1對應的虛表指針，它指向DerivedClass1的虛表vbtable，另外一個vfptr是虛基類表對應的虛指針，它指向vftable。

下面列出了兩張虛表，第一張表是vbptr指向的表，8表示{vbptr}與{vfptr}的偏移；第二張表是vfptr指向的表，-8指明瞭這張表所對應的虛指針位於內存的偏移量。

DerivedClass2的內存分佈相似於DerivedClass1，一樣會有兩個虛指針，分別指向兩張虛表（第二張是虛基類表）。

下面來仔細看一下DerivedDerivedClass的內存分佈，這裏面有三個虛指針了，但base卻只有一份。第一張虛表是內含DerivedClass1的，20表示它的虛指針{vbptr}離虛基表指針{vfptr}的距離，第二張虛表是內含DerivedClass2的，12表示它的虛指針{vbptr}離虛基表指針{vfptr}的距離，最後一張表是虛基表，-20指明瞭它對應的虛指針{vfptr}在內存中的偏移。

 

虛繼承的做用是減小了對基類的重複，代價是增長了虛表指針的負擔（更多的虛表指針）。

下面總結一下（當基類有虛函數時）：

1. 每一個類都有虛指針和虛表；

2. 若是不是虛繼承，那麼子類將父類的虛指針繼承下來，並指向自身的虛表（發生在對象構造時）。有多少個虛函數，虛表裏面的項就會有多少。多重繼承時，可能存在多個的基類虛表與虛指針；

3. 若是是虛繼承，那麼子類會有兩份虛指針，一份指向本身的虛表，另外一份指向虛基表，多重繼承時虛基表與虛基表指針有且只有一份。