C++对象模型

本文主要对C++对象模型做一个简单总结。主要讨论以下几种情况下的C++对象的内存布局情况。

1) 单一的一般继承

2) 单一的虚拟继承

3) 多重继承

4) 重复多重继承

5) 钻石型的虚拟多重继承

虚函数

先简单介绍一下虚函数的机制。虚函数的主要作用是实现了多态的机制。对于多态，简而言之就是用父类型的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。从而让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。

都知道虚函数是通过一张虚表来实现的，在这个表中主要是一个类的虚函数的地址列表。在有虚函数的类的实例中这个表就被分配在这个实例的内存中，它就像一个地图，指向实际应该调用的函数。为了保证取到虚函数表的有最高的性能，C++编译器一般会保证虚函数表的指针存放于对象实例中最前面的位置。这意味着我们可以通过对象实例的地址来获得这张虚函数表，从而遍历其中所有的函数指针，并调用。

下面给出一个实际的例子。

class Base {
public:
virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }

};

我们可以通过Base的实例来得到虚函数表，使用如下代码：

typedef void(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虚函数表指针的地址：" << (intptr_t*)(&b) << endl;
cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (intptr_t*)*(intptr_t*)(&b) << endl;

// Invoke the first virtual function
pFun = (Fun)*((intptr_t*)*(intptr_t*)(&b));
pFun();

运行结果如下：



我们强行把&b转成intptr_t *，取得虚函数表指针的地址，然后再次取址就得到第一个虚函数的地址了，即Base::f()。同样的，我们如果要调用Base::g()和Base::h()，可以使用如下代码：

(Fun)*((intptr_t*)*(intptr_t*)(&b)+0);  // Base::f()
(Fun)*((intptr_t*)*(intptr_t*)(&b)+1);  // Base::g()
(Fun)*((intptr_t*)*(intptr_t*)(&b)+2);  // Base::h()

下图可以帮助理解：



注意：上面这个图中，虚函数表的最后有一个点，这个是虚函数表的结束点。这个值在不同的编译器下是不同的。在win8.1+vs2013中，这个值是NULL。在Ubuntu 14.04+GCC4.8.2中，如果这个值为1，表示还有下一个虚函数表（多重继承），如果值是0，则表示是最后一个虚函数表。

单一的一般继承

下面，我们假设有如下一种继承关系，父类、子类、子类的子类都有自己的一个成员变量。子类覆盖了父类的f()方法，子类的子类覆盖了子类的g_child()及f()。源代码如下：

class Parent {
public:
int iparent;
Parent ():iparent (10) {}
virtual void f() { cout << " Parent::f()" << endl; }
virtual void g() { cout << " Parent::g()" << endl; }
virtual void h() { cout << " Parent::h()" << endl; }

};

class Child : public Parent {
public:
int ichild;
Child():ichild(100) {}
virtual void f() { cout << "Child::f()" << endl; }
virtual void g_child() { cout << "Child::g_child()" << endl; }
virtual void h_child() { cout << "Child::h_child()" << endl; }
};

class GrandChild : public Child{
public:
int igrandchild;
GrandChild():igrandchild(1000) {}
virtual void f() { cout << "GrandChild::f()" << endl; }
virtual void g_child() { cout << "GrandChild::g_child()" << endl; }
virtual void h_grandchild() { cout << "GrandChild::h_grandchild()" << endl; }
};

我们使用以下程序作为测试程序：

typedef void(*Fun)(void);
Fun pFun = NULL;
GrandChild gc;

intptr_t** pVtab = (intptr_t**)&gc;

cout << "[0] GrandChild::_vptr->" << endl;
for (int i = 0; (Fun)pVtab[0][i] != NULL; i++){
pFun = (Fun)pVtab[0][i];
cout << "    [" << i << "] ";
pFun();
}
int *pData = (int *)((intptr_t *)&gc + 1);

cout << "[1] Parent.iparent = " << (int)pData[0] << endl;
cout << "[2] Child.ichild = " << (int)pData[1] << endl;
cout << "[3] GrandChild.igrandchild = " << (int)pData[2] << endl;

运行结果如下：



使用图片表示如下：



可以看出：

　　1）虚函数表指针在对象内存的起始位置

　　2）成员变量根据其继承和声明的顺序依次排在后面

　　3）在单一继承中，被override的虚函数在虚函数表中得到了更新

多重继承

（未完待续）