详解C++类的内存分布结构

Posted 2023-02-17 松狮MVP

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了详解C++类的内存分布结构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

我们来看看编译器是怎么处理类成员内存分布的，特别是在继承、虚函数存在的情况下。工欲善其事，必先利其器，我们先用好Visual Studio工具，像下面这样一步一步来：

（1）右键CPP文件，属性；

（2）先选择左侧的C/C++->命令行，然后在其他选项这里写上/d1 reportAllClassLayout，它可以看到所有相关类的内存布局，如果写上/d1 reportSingleClassLayoutXXX（XXX为类名），则只会打出指定类XXX的内存布局。

下面可以定义一个类，像下面这样：

class Base

	int a;
	int b;
public:
	void CommonFunction();
;

然后编译一下，可以看到输出框里面有这样的排布：

这里不想花精力在内存对齐因素上，所以成员变量都设为int型。（后面会补充关于“对齐”的内存结构分布）

从这里可以看到普通类的排布方式，成员变量依据声明的顺序进行排列（类内偏移为0开始），成员函数不占内存空间。

再看下继承：

class Base

	int a;
	int b;
public:
	void CommonFunction();
;
class DerivedClass : public Base

	int c;
public:
	void DerivedCommonFunction();
;

编译，然后看到如下的内存分布（父类的内存分布不变，这里只讨论子类成员变量的内存分布）：

可以看到子类继承了父类的成员变量，在内存排布上，先是排布了父类的成员变量，接着排布子类的成员变量，同样，成员函数不占字节。

下面给基类加上虚函数，暂时注释掉DerivedClass，看一下这时的内存排布：

class Base

	int a;
	int b;
public:
	void CommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
;

这个内存结构图分成了两个部分，上面是内存分布，下面是虚表，我们逐个看。VS所带编译器是把虚表指针放在了内存的开始处（0地址偏移），然后再是成员变量；下面生成了虚表，紧跟在&Base1_meta后面的0表示，这张虚表对应的虚指针在内存中的分布，下面列出了虚函数，左侧的0是这个虚函数的序号，这里只有一个虚函数，所以只有一项，如果有多个虚函数，会有序号为1，为2的虚函数列出来。

编译器是在构造函数中创建这个虚表指针以及虚表的。

那么编译器是如何利用虚表指针与虚表来实现多态的呢？是这样的，当创建一个含有虚函数的父类的对象时，编译器在对象构造时将虚表指针指向父类的虚函数；同样，当创建子类的对象时，编译器在构造函数里将虚表指针（子类只有一个虚表指针，它来自父类）指向子类的虚表（这个虚表里面的虚函数入口地址是子类的）。

所以，如果是调用Base *p = new Derived();生成的是子类的对象，在构造时，子类对象的虚指针指向的是子类的虚表，接着由Derived*到Base*的转换并没有改变虚表指针，所以这时候p->VirtualFunction，实际上是p->vfptr->VirtualFunction，它在构造的时候就已经指向了子类的VirtualFunction，所以调用的是子类的虚函数，这就是多态了。

下面加上子类，并在子类中添加虚函数，像下面这样：

class Base

	int a;
	int b;
public:
	void CommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
;
class DerivedClass : public Base

	int c;
public:
	void DerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
;

可以看到子类内存的排布如下：

上半部是子类的内存分布，可以看到，虚表指针被继承了，且仍位于内存排布的起始处，下面是父类的成员变量a和b，最后是子类的成员变量c，注意虚表指针只有一个，子类并没有再生成虚表指针了；下半部的虚表情况与父类是一样的。

我们把子类换个代码，像这样：

class DerivedClass1 : public Base

	int c;
public:
	void DerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction2();
;

注意到这时我们并没有覆写父类的虚方法，而是重声明了一个新的子类虚方法，内存分布如下：

还是只有一个虚表指针，但是下方虚表的内容变化了，虚表的0号是父类的VirtualFunction，而1号放的是子类的VirtualFunction2。也就是说，如果定义了DerivedClass的对象，那么在构造时，虚表指针就会指向这个虚表，以后如果调用的是VirtualFunction，那么会从父类中寻找对应的虚函数，如果调用的是VirtualFunction2，那么会从子类中寻找对应的虚函数。

我们再改造一下子类，像这样：

class DerivedClass1 : public Base

	int c;
public:
	void DerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
	void virtual VirtualFunction2();
;

我们既覆写父类的虚函数，也有新添的虚函数，那么可以料想的到，是下面的这种内存分布：

下面来讨论多重继承，代码如下：

class Base

	int a;
	int b;
public:
	void CommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
;


class DerivedClass1 : public Base

	int c;
public:
	void DerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
;

class DerivedClass2 : public Base

	int d;
public:
	void DerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
;

class DerivedDerivedClass : public DerivedClass1, public DerivedClass2

	int e;
public:
	void DerivedDerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
;

内存分布从父类到子类，依次如下：

Base中有一个虚表指针，地址偏移为0：

DerivedClass1继承了Base，内存排布是先父类后子类。

DerivedClass2的情况是类似于DerivedClass1的。

下面我们重点看看这个类DerivedDerivedClass，由外向内看，它并列地排布着继承而来的两个父类DerivedClass1与DerivedClass2，还有自身的成员变量e。DerivedClass1包含了它的成员变量c，以及Base，Base有一个0地址偏移的虚表指针，然后是成员变量a和b；DerivedClass2的内存排布类似于DerivedClass1，注意到DerivedClass2里面竟然也有一份Base。

这里有两份虚表了，分别针对DerivedClass1与DerivedClass2，在&DerivedDericedClass_meta下方的数字是首地址偏移量，靠下面的虚表的那个-16表示指向这个虚表的虚指针的内存偏移，这正是DerivedClass2中的vfptr在DerivedDerivedClass的内存偏移。

如果采用虚继承，像下面这样：

class DerivedClass1 : virtual public Base

	int c;
public:
	void DerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
;

class DerivedClass2 : virtual public Base

	int d;
public:
	void DerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
;

class DerivedDerivedClass : public DerivedClass1, public DerivedClass2

	int e;
public:
	void DerivedDerivedCommonFunction();
	void virtual VirtualFunction();
;

Base类没有变化，但往下看：

DerivedClass1就已经有变化了，原来是先排虚表指针与Base成员变量，vfptr位于0地址偏移处；但现在有两个虚表指针了，一个是vbptr，另一个是vfptr。vbptr是这个DerivedClass1对应的虚表指针，它指向DerivedClass1的虚表vbtable，另一个vfptr是虚基类表对应的虚指针，它指向vftable。

下面列出了两张虚表，第一张表是vbptr指向的表，8表示vbptr与vfptr的偏移；第二张表是vfptr指向的表，-8指明了这张表所对应的虚指针位于内存的偏移量。

DerivedClass2的内存分布类似于DerivedClass1，同样会有两个虚指针，分别指向两张虚表（第二张是虚基类表）。

下面来仔细看一下DerivedDerivedClass的内存分布，这里面有三个虚指针了，但base却只有一份。第一张虚表是内含DerivedClass1的，20表示它的虚指针vbptr离虚基表指针vfptr的距离，第二张虚表是内含DerivedClass2的，12表示它的虚指针vbptr离虚基表指针vfptr的距离，最后一张表是虚基表，-20指明了它对应的虚指针vfptr在内存中的偏移。

虚继承的作用是减少了对基类的重复，代价是增加了虚表指针的负担（更多的虚表指针）。

下面总结一下（当基类有虚函数时）：

1. 每个类都有虚指针和虚表；

2. 如果不是虚继承，那么子类将父类的虚指针继承下来，并指向自身的虚表（发生在对象构造时）。有多少个虚函数，虚表里面的项就会有多少。多重继承时，可能存在多个的基类虚表与虚指针；

3. 如果是虚继承，那么子类会有两份虚指针，一份指向自己的虚表，另一份指向虚基表，多重继承时虚基表与虚基表指针有且只有一份。

特别注意此时基类的构造顺序！！！

class A
public:
	A(char *s)
	
		cout << s << endl;
	
	~A()
;
class B :virtual public A

public:
	B(char *s1, char*s2) :A(s1)
		cout << s2 << endl;
	
;
class C :virtual public A

public:
	C(char *s1, char*s2) :A(s1)
		cout << s2 << endl;
	
;
class D :public B, public C

public:
	D(char *s1, char *s2, char *s3, char *s4) :B(s1, s2), C(s1, s3), A(s1)
	
		cout << s4 << endl;
	
;

int main() 
	D *pp = new D("class A", "class B", "class C", "class D");
	delete pp;

	return 0;

先看内存布局：

A、B、C、D：