C++类内存分布

书上类继承相关章节到这里就结束了，这里不妨说下C++内存分布结构，咱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、虚函数存在的状况下。

工欲善其事，必先利其器，咱们先用好Visual Studio工具，像下面这样一步一步来：

 

 

先选择左侧的C/C++->命令行，而后在其余选项这里写上/d1 reportAllClassLayout，它能够看到全部相关类的内存布局，若是写上/d1 reportSingleClassLayoutXXX（XXX为类名），则只会打出指定类XXX的内存布局。近期的VS版本都支持这样配置。

下面能够定义一个类，像下面这样：

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

而后编译一下，能够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，因此成员变量都设为int型。

从这里能够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，日后面添加以下代码：

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

编译，而后看到以下的内存分布（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）：

能够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，一样，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：

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

这个内存结构图分红了两个部分，上面是内存分布，下面是虚表，咱们逐个看。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），而后再是成员变量；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，因此只有一项，若是有多个虚函数，会有序号为1，为2的虚函数列出来。

编译器是在构造函数建立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，当建立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；一样，当建立子类的对象时，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）。

因此，若是是调用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*的转换并无改变虚表指针，因此这时候p->VirtualFunction，其实是p->vfptr->VirtualFunction，它在构造的时候就已经指向了子类的VirtualFunction，因此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：

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

能够看到子类内存的排布以下：

上半部是内存分布，能够看到，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，子类并无再生成虚表指针了；下半部的虚表状况与父类是同样的。

 

咱们把子类换个代码，像这样：

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

注意到这时咱们并无覆写父类的虚方法，而是重声明了一个新的子类虚方法，内存分布以下：

仍是只有一个虚表指针，可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，若是定义了DerivedClass的对象，那么在构造时，虚表指针就会指向这个虚表，之后若是调用的是VirtualFunction，那么会从父类中寻找对应的虚函数，若是调用的是VirtualFunction2，那么会从子类中寻找对应的虚函数。

 

咱们再改造一会儿类，像这样：

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

咱们既覆写父类的虚函数，也有新添的虚函数，那么能够料想的到，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 };

内存分布从父类到子类，依次以下：

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的状况是相似于DerivedClass1的。

 

下面咱们重点看看这个类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，而后是成员变量a和b；DerivedClass2的内存排布相似于DerivedClass1，注意到DerivedClass2里面居然也有一份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。

 

若是采用虚继承，像下面这样：

 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；但如今有两个虚表指针了，一个是vbptr，另外一个是vfptr。vbptr是这个DerivedClass1对应的虚表指针，它指向DerivedClass1的虚表vbtable，另外一个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的内存分布相似于DerivedClass1，一样会有两个虚指针，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。

 

虚继承的做用是减小了对基类的重复，代价是增长了虚表指针的负担（更多的虚表指针）。

下面总结一下（当基类有虚函数时）：

1. 每一个类都有虚指针和虚表；

2. 若是不是虚继承，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. 若是是虚继承，那么子类会有两份虚指针，一份指向本身的虚表，另外一份指向虚基表，多重继承时虚基表与虚基表指针有且只有一份。