[C++ 提高] --- 类的存储和包含虚函数的类

Posted 2022-09-17 Overboom

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了[C++ 提高] --- 类的存储和包含虚函数的类相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1 从内存四区的角度分析类的存储

如果一个类包括了数据和函数，用这个类去实例化对象时，系统会为每一个对象分配存储空间。每个对象所占用的存储空间只是该对象的数据部分（虚函数指针和虚基类指针也属于数据部分）所占用的存储空间，而不包括函数代码所占用的存储空间。
C++编译系统会用一段空间来存放这个共同的函数代码段，在调用各对象的函数时，都去调用这个公用的函数代码。

　　C++程序的内存格局通常分为四个区：全局数据区(data area)，代码区(code area)，栈区(stack area)，堆区(heap area)(即自由存储区)。
　　全局数据区存放全局变量，静态数据和常量；
　　所有类成员函数和非成员函数代码存放在代码区；
　　为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等存放在栈区；
　　余下的空间都被称为堆区。
　　根据这个解释，我们可以得知在类的定义时，类成员函数是被放在代码区，而类的静态成员变量在类定义时就已经在全局数据区分配了内存，因而它是属于类的。对于非静态成员变量，我们是在类的实例化过程中(构造对象)才在栈区或者堆区为其分配内存，是为每个对象生成一个拷贝，所以它是属于对象的。
　　应当说明，常说的“某某对象的成员函数”，是从逻辑的角度而言的，而成员函数的存储方式，是从物理的角度而言的，二者是不矛盾的。

2 C++类分析

2.1 C++类的构成

类由两部分构成：

数据成员：简单类型[char/short/long/int/double/float等]、复合类型[结构体/枚举/类类型等]
函数成员：虚函数、非虚函数

2.2 数据成员的存储方式 - 内存对其原则

复合类型由简单类型组成，简单类型对其原则同C语言结构体内存对其原则，很早之前已经写过，可以参看here，这里进行简单回顾。
简单类型在类的对象中对齐方式，以字节为单位进行存储。

char 1
short 2
long 4
int 4
float 4
fouble 8

取类中最长的数据成员作为对齐原则。例如，类中最长为 double,那么就是8 个字节。

2.3 函数成员的存储方式

非虚函数是存放在代码区的，不占用类的存储空间。
在一个类的某个函数前加上virtual关键字，这个函数就变成了虚函数。编译器处理虚函数的方法是：为每个类对象添加一个隐藏成员，隐藏成员中保存了一个指向函数地址数组的指针，称为虚表指针（vptr），这种数组成为虚函数表（virtual function table, vtbl），即，每个类使用一个虚函数表，每个类对象用一个虚表指针。

2.4 实例验证类大小

读完上面的分析，现在来看示例代码，进行验证

代码示例

#include <iostream>

/*******************Test1***********************/
class Test1 
public:
    Test1();
    ~Test1();

public:
    int n1;
    char c1;
    short s1;

private:
    int n2;
    char c2;
    short s2;
;

Test1::Test1()




Test1::~Test1()

	

/*******************Test1 end***********************/

/*******************Test2***********************/
class Test2 
public:
    Test2();
    ~Test2();

    void func0();

    friend void func1();

    void func2() const ;

    inline void func3() ;

    static void func4() ;

    // virtual void func5();

public:
    int n1;
    char c1;
    short s1;

private:
    int n2;
    char c2;
    short s2;
;

Test2::Test2()




Test2::~Test2()

	


void Test2::func0()




void func1()





void Test2::func2() const




inline void Test2::func3()




void Test2::func4()




// void Test2::func5()
// 

// 

/*******************Test2 end***********************/
int main(void)

	Test1 test1_;
	Test2 test2_;

	printf("sizeof test1 = %ld\\n", sizeof(test1_));
	printf("sizeof test2 = %ld\\n", sizeof(test2_));

	return 0;

编译输出：

打开注释之后，编译输出【测试机器为x64】：

总结：

C++编译系统中，数据和函数是分开存放的(函数放在代码区；数据主要放在栈区和堆区，静态/全局区以及文字常量区也有)，实例化不同对象时，只给数据分配空间，各个对象调用函数时都都跳转到(内联函数例外)找到函数在代码区的入口执行，可以节省拷贝多份代码的空间
类的静态成员变量编译时被分配到静态/全局区，因此静态成员变量是属于类的，所有对象共用一份，不计入类的内存空间
静态成员函数和非静态成员函数都是存放在代码区的，是属于类的，类可以直接调用静态成员函数，不可以直接调用非静态成员函数，两者主要的区别是有无this指针
存在虚函数的类，会对应一个虚函数表，实例化对象时，每个对象会占用一个虚表指针

3 包含虚函数的类

3.1 概述

简单地说，每一个含有虚函数（无论是其本身的，还是继承而来的）的类都至少有一个与之对应的虚函数表，其中存放着该类所有的虚函数对应的函数指针。例：

其中：
B的虚函数表中存放着B::foo和B::bar两个函数指针。
D的虚函数表中存放的既有继承自B的虚函数B::foo，又有重写（override）了基类虚函数B::bar的D::bar，还有新增的虚函数D::quz。