C++ 内存布局：深入理解C++内存布局

1、虚函数简介

虚函数的实现要求对象携带额外的信息，这些信息用于在运行时确定该对象应该调用哪一个虚函数。典型情况下，这一信息具有一种被称为vptr（virtual table pointer，虚函数表指针）的指针的形式。vptr 指向一个被称为 vtbl（virtual table，虚函数表）的函数指针数组，每一个包含虚函数的类都关联到
vtbl。当一个对象调用了虚函数，实际的被调用函数通过下面的步骤确定：找到对象的 vptr 指向的 vtbl，然后在 vtbl 中寻找合适的函数指针。

虚拟函数的地址翻译取决于对象的内存地址，而不取决于数据类型(编译器对函数调用的合法性检查取决于数据类型)。如果类定义了虚函数，该类及其派生类就要生成一张虚拟函数表，即vtable。而在类的对象地址空间中存储一个该虚表的入口，占4个字节，这个入口地址是在构造对象时由编译器写入的。所以，由于对象的内存空间包含了虚表入口，编译器能够由这个入口找到恰当的虚函数，这个函数的地址不再由数据类型决定了。故对于一个父类的对象指针，调用虚拟函数，如果给他赋父类对象的指针，那么他就调用父类中的函数，如果给他赋子类对象的指针，他就调用子类中的函数(取决于对象的内存地址)。

2、C++中含有虚函数的内存分布

涉及到虚函数的内存分布往往比较复杂，除了考虑其本身所带来的额外的内存开销，还要考虑继承等所带来的问题。针对这一方面，我们按照如下的步骤逐一解决。

1）、单个含有虚函数的类

2）、基类含有虚函数，使用普通继承，派生类中不含虚函数

3）、基类含有虚函数，使用普通继承，派生类中含有虚函数

4）、基类不含有虚函数，使用虚继承，派生类中不含虚函数

5）、基类不含虚函数，使用虚继承，派生类中含有虚函数

6）、基类含有虚函数，使用虚继承，派生类中不含虚函数

7）、基类含有虚函数，使用虚继承，派生类中含有虚函数

8）、基类含有虚函数，使用虚继承，向下派生多次

9）、基类含有虚函数，多继承

2.1 含有虚函数的单个类

#include <iostream>

template<typename T>
class CPoint
{
public:
CPoint()
{
_x = 0;
_y = 0;
_z = 0;
}

virtual void setX(T newX)
{
//std::cout << "CPoint setX" << std::endl;
_x = newX;
}
virtual void setY(T newY)
{
_y = newY;
}
virtual void setZ(T newZ = 0)
{
_z = newZ;
}

virtual T getX() const
{
return _x;
}

virtual T getY() const
{
return _y;
}

virtual T getZ() const
{
return _z;
}

protected:
T _x;
T _y;
T _z;
};

void main()
{
CPoint<double> m_Point;
std::cout <<"CPoint:"<<	sizeof(m_Point) << std::endl;
std::cin.get();
}

上面的程序输出结果如下：



上述的代码输出为32,一方面和内存布局有关，另一方面还和内存对齐有关。类模板实例化为double，构建一个对象，对象中有三个数据成员，每个数据成员占8字节。



m_Point对象的内存布局如上图所示，可以看到m_Point内部除了三个成员变量之外，还有一个_vfptr,_vfptr是一个虚函数表的指针，保存的是虚函数表的地址。m_Point内部一共有5个虚函数，所以对应的虚函数表中便有5个与虚函数对应得地址。
由于虚函数表指针占据4个字节，并且处于类的内存地址起始处，所以整个类一共占据32个字节。

2.2基类含有虚函数，使用普通继承，派生类中不含虚函数
修改上面的代码，得到如下的内容

#include <iostream>

template<typename T>
class CPoint
{
public:
CPoint()
{
_x = 0;
_y = 0;
_z = 0;
}

virtual void setX(T newX)
{
//std::cout << "CPoint setX" << std::endl;
_x = newX;
}
virtual void setY(T newY)
{
_y = newY;
}
virtual void setZ(T newZ = 0)
{
_z = newZ;
}

virtual T getX() const
{
return _x;
}

virtual T getY() const
{
return _y;
}

virtual T getZ() const
{
return _z;
}

protected:
T _x;
T _y;
T _z;
};

template<typename T>
class CPoint2D :  public CPoint<T>
{
public:
CPoint2D()
{
_x = 0;
_y = 0;
_z = 0;
}

CPoint2D(T x, T y, T z = 0)
{
_x = x;
_y = y;
_z = z;
}

CPoint2D(const CPoint2D &point2D)
{
_x = point2D.getX();
_y = point2D.getY();
_z = point2D.getZ();
}

const CPoint2D& operator = (const CPoint2D& point2D)
{
if (this == &point2D)
return *this;

_x = point2D.getX();
_y = point2D.getY();
_z = point2D.getZ();
}

void operator +(const CPoint2D& point2D)
{
_x += point2D.getX();
_y += point2D.getY();
_z += point2D.getZ();
}

void operator -(const CPoint2D &point2D)
{
_x -= point2D.getX();
_y -= point2D.getY();
_z -= point2D.getZ();
}
};

<pre name="code" class="cpp">void main()
{
CPoint<double> m_Point;

CPoint2D<double> m_Point2D(0.0,0.0);
std::cout <<"CPoint:"<<	sizeof(m_Point) << std::endl;
std::cout <<"CPoint2D:"<< sizeof(m_Point2D)<< std::endl;
std::cout <<"CPoint2D::getZ:"<< sizeof(&CPoint2D<double>::getZ) << std::endl;

std::cin.get();
}

上面的代码输出得到如下的内容



最后一个输出的是一个函数指针的大小，在没有虚继承的情况下，在X86(Win 32Debug)系统上输出是4.

整个类的大小为32字节，我们看一下内存分布就明白了



可以看到m_Point2D的内存布局和m_Point的内存布局很类似。一个虚函数表指针，然后三个成员变量。虚函数表中的内容和m_Point中的一摸一样。这是因为CPoint2D
是从CPoint继承过来的。
2.3基类含有虚函数，使用普通继承，派生类中含有虚函数
继续修改上面的代码，得到如下的内容

#include <iostream>

template<typename T>
class CPoint
{
public:
CPoint()
{
_x = 0;
_y = 0;
_z = 0;
}

virtual void setX(T newX)
{
//std::cout << "CPoint setX" << std::endl;
_x = newX;
}
virtual void setY(T newY)
{
_y = newY;
}
virtual void setZ(T newZ = 0)
{
_z = newZ;
}

virtual T getX() const
{
return _x;
}

virtual T getY() const
{
return _y;
}

virtual T getZ() const
{
return _z;
}

protected:
T _x;
T _y;
T _z;
};

template<typename T>
class CPoint2D :  public CPoint<T>
{
public:
CPoint2D()
{
_x = 0;
_y = 0;
_z = 0;
}

CPoint2D(T x, T y, T z = 0)
{
_x = x;
_y = y;
_z = z;
}

CPoint2D(const CPoint2D &point2D)
{
_x = point2D.getX();
_y = point2D.getY();
_z = point2D.getZ();
}

const CPoint2D& operator = (const CPoint2D& point2D)
{
if (this == &point2D)
return *this;

_x = point2D.getX();
_y = point2D.getY();
_z = point2D.getZ();
}

void operator +(const CPoint2D& point2D)
{
_x += point2D.getX();
_y += point2D.getY();
_z += point2D.getZ();
}

void operator -(const CPoint2D &point2D)
{
_x -= point2D.getX();
_y -= point2D.getY();
_z -= point2D.getZ();
}

virtual T getZ() const
{
std::cout << "CPoint2D:"<<sizeof(CPoint2D<T>::getZ()) << std::endl;
return 0;
}

virtual void setZ(T newZ = 0)
{
//std::cout << "CPoint2D:" << sizeof(CPoint2D::setZ()) << std::endl;
_z = 0;
}
};

void main()
{
CPoint<double> m_Point;

CPoint2D<double> m_Point2D(0.0,0.0);
std::cout <<"CPoint:"<<	sizeof(m_Point) << std::endl;
std::cout <<"CPoint2D:"<< sizeof(m_Point2D)<< std::endl;
std::cout <<"CPoint2D::getZ:"<< sizeof(&CPoint2D<double>::getZ) << std::endl;

std::cin.get();
}

上面的代码输出内容如下所示：



内存布局如下：



输出的内容和之前派生类中没有虚函数的一样，但是内存布局发生了变化。变化体现在_vfptr中，_vfptr中有4个地址是和CPoint中的一样，2个不一样，这是因为在CPoint2D中，重写了CPoint中的两个虚函数，从而派生类中的虚函数覆盖了父类中的虚函数。这地方的重写不仅仅是函数名相同，还要保证函数的参数类型，参数个数，函数的返回形式也和基类中的一致。
从上面的例子中我们可以得出以下的结论：
1）、类中一旦出现虚函数，编译器便会给其分配一个虚函数表，虚函数表指针的大小和编译器有关。
2）、派生类中如果对父类的虚函数进行了重写，那么派生类中的虚函数会覆盖父类的虚函数，体现在上图的虚函数表中的地址发生了变化。
3）、虚函数表指针总是处于类的地址的开始处，所以在计算类的大小时要注意这一点。

2.4基类不含有虚函数，使用虚继承，派生类中不含虚函数
这一次使用前一章节的代码，对前一章节的代码进行修改，得到如下的内容

#include <iostream>
using namespace std;

class CBase
{
//public
public:
CBase()
{

}
};

class CBaseClass
{
//private members
private:
int nCount;

//public members
public:

//private member funcs
private:
CBaseClass(const CBaseClass &base)
{

}

CBaseClass &operator = (const CBaseClass& base)
{
return *this;
}

//public members
public:
CBaseClass(int count = 0)
{
nCount = count;
}
~CBaseClass()
{

}
};

class CBaseClassNew
{
//private members
private:
int nCount;

//public members
public:
int nNewCount;
//private member funcs
private:
CBaseClassNew(const CBaseClassNew &base)
{

}

CBaseClassNew &operator = (const CBaseClassNew& base)
{
return *this;
}

//public members
public:
CBaseClassNew(int count = 0)
{
nCount = count;
}
~CBaseClassNew()
{

}
};

class CDerivedClass : virtual public CBaseClass
{
//private members:
private:
int nDeriveCount;

//public members
public:
int nCurrentNum;

//private member funcs
private:
CDerivedClass(const CDerivedClass& derived)
{

}

CDerivedClass & operator = (const CDerivedClass &derived)
{
return *this;
}
//public member funcs
public:
CDerivedClass(int nDerived = 0)
{
nDeriveCount = nDerived;
nCurrentNum = 0;
}

};

void main()
{
CBase base;
cout << "base Size:" << sizeof(base) << endl;

CBaseClass baseClass(10);
cout << "baseClass Size:" << sizeof(baseClass) << endl;

CDerivedClass derivedClass(12);
cout << "derivedClass Size:" << sizeof(derivedClass) << endl;

cin.get();

}

上述代码的输出内容如下



CBase
中只有一个构造函数，所以占一个字节
CBaseClass中有一个成员变量，为int型，所以占4个字节
CDerivedClass中自身的2个成员变量和基类中的1个成员变量均是int型，一共12个字节。CDerivedClass使用的是虚继承，这导致在派生类中会产生一个指针指向基类，所以派生类的大小为14字节。
其内存分布如下图所示：



因为篇幅太长，剩下的内容后面再说了。