C++进阶：类的内存布局与虚函数类的实现细节

篇首语：本文由编程笔记#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。

如果一个类包括了数据和函数&＃xff0c;用这个类去实例化对象时&＃xff0c;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&＃xff08;虚函数指针和虚基类指针也属于数据部分&＃xff09;所占用的存储空间&＃xff0c;而不包括函数代码所占用的存储空间。
C&＃43;&＃43;编译系统会用一段空间来存放这个共同的函数代码段&＃xff0c;在调用各对象的函数时&＃xff0c;都去调用这个公用的函数代码。

　　C&＃43;&＃43;程序的内存格局通常分为四个区&＃xff1a;全局数据区(data area)&＃xff0c;代码区(code area)&＃xff0c;栈区(stack area)&＃xff0c;堆区(heap area)(即自由存储区)。
　　全局数据区存放全局变量&＃xff0c;静态数据和常量&＃xff1b;
　　所有类成员函数和非成员函数代码存放在代码区&＃xff1b;
　　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&＃xff1b;
　　余下的空间都被称为堆区。
　　根据这个解释&＃xff0c;我们可以得知在类的定义时&＃xff0c;类成员函数是被放在代码区&＃xff0c;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&＃xff0c;因而它是属于类的。对于非静态成员变量&＃xff0c;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&＃xff0c;是为每个对象生成一个拷贝&＃xff0c;所以它是属于对象的。
　　应当说明&＃xff0c;常说的“某某对象的成员函数”&＃xff0c;是从逻辑的角度而言的&＃xff0c;而成员函数的存储方式&＃xff0c;是从物理的角度而言的&＃xff0c;二者是不矛盾的。

2.1 C&＃43;&＃43;类的构成

类由两部分构成&＃xff1a;

• 数据成员&＃xff1a;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&＃xff1a;虚函数、非虚函数

复合类型由简单类型组成&＃xff0c;简单类型对其原则同C语言结构体内存对其原则&＃xff0c;很早之前已经写过&＃xff0c;可以参看here&＃xff0c;这里进行简单回顾。
简单类型在类的对象中对齐方式&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;这个函数就变成了虚函数。编译器处理虚函数的方法是&＃xff1a;为每个类对象添加一个隐藏成员&＃xff0c;隐藏成员中保存了一个指向函数地址数组的指针&＃xff0c;称为虚表指针&＃xff08;vptr&＃xff09;&＃xff0c;这种数组成为虚函数表&＃xff08;virtual function table, vtbl&＃xff09;&＃xff0c;即&＃xff0c;每个类使用一个虚函数表&＃xff0c;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&＃xff0c;现在来看示例代码&＃xff0c;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 &＃61; %ld\\n", sizeof(test1_));
printf("sizeof test2 &＃61; %ld\\n", sizeof(test2_));
return 0;



编译输出&＃xff1a;

打开注释之后&＃xff0c;编译输出【测试机器为x64】&＃xff1a;

总结&＃xff1a;

• C&＃43;&＃43;编译系统中&＃xff0c;数据和函数是分开存放的(函数放在代码区&＃xff1b;数据主要放在栈区和堆区&＃xff0c;静态/全局区以及文字常量区也有)&＃xff0c;实例化不同对象时&＃xff0c;只给数据分配空间&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;因此静态成员变量是属于类的&＃xff0c;所有对象共用一份&＃xff0c;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&＃xff0c;是属于类的&＃xff0c;类可以直接调用静态成员函数&＃xff0c;不可以直接调用非静态成员函数&＃xff0c;两者主要的区别是有无this指针
• 存在虚函数的类&＃xff0c;会对应一个虚函数表&＃xff0c;实例化对象时&＃xff0c;每个对象会占用一个虚表指针

3.1 概述

简单地说&＃xff0c;每一个含有虚函数&＃xff08;无论是其本身的&＃xff0c;还是继承而来的&＃xff09;的类都至少有一个与之对应的虚函数表&＃xff0c;其中存放着该类所有的虚函数对应的函数指针。例&＃xff1a;

其中&＃xff1a;
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&＃xff0c;又有重写&＃xff08;override&＃xff09;了基类虚函数B::bar的D::bar&＃xff0c;还有新增的虚函数D::quz。

3.2 虚函数表构造的过程

从编译器的角度来说&＃xff0c;B的虚函数表很好构造&＃xff0c;D的虚函数表构造过程相对复杂。下面给出了构造D的虚函数表的一种方式&＃xff08;仅供参考&＃xff09;&＃xff1a;

以下面的程序为例&＃xff1a;

编译器只知道pb是B*类型的指针&＃xff0c;并不知道它指向的具体对象类型 &＃xff1a;pb可能指向的是B的对象&＃xff0c;也可能指向的是D的对象。

但对于“pb->bar()”&＃xff0c;编译时能够确定的是&＃xff1a;此处operator->的另一个参数是B::bar&＃xff08;因为pb是B*类型的&＃xff0c;编译器认为bar是B::bar&＃xff09;&＃xff0c;而B::bar和D::bar在各自虚函数表中的偏移位置是相等的。

无论pb指向哪种类型的对象&＃xff0c;只要能够确定被调函数在虚函数中的偏移值&＃xff0c;待运行时&＃xff0c;能够确定具体类型&＃xff0c;并能找到相应vptr了&＃xff0c;就能找出真正应该调用的函数。