C++ 对象的内存布局(上)-白红宇

对象的影响因素

简而言之，我们一个类可能会有如下的影响因素：

1）成员变量

2）虚函数（产生虚函数表）

3）单一继承（只继承于一个类）

4）多重继承（继承多个类）

5）重复继承（继承的多个父类中其父类有相同的超类）

6）虚拟继承（使用virtual方式继承，为了保证继承后父类的内存布局只会存在一份）

上述的东西通常是C++这门语言在语义方面对对象内部的影响因素，当然，还会有编译器的影响（比如优化），还有字节对齐的影响。在这里我们都不讨论，我们只讨论C++语言上的影响。

本篇文章着重讨论下述几个情况下的C++对象的内存布局情况。

1）单一的一般继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）

2）单一的虚拟继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）

3）多重继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）

4）重复多重继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）

5）钻石型的虚拟多重继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）

我们的目标就是，让事情越来越复杂。

知识复习

我们简单地复习一下，我们可以通过对象的地址来取得虚函数表的地址，如：

typedef void(*Fun)(void);             Base b;             Fun pFun = NULL;             cout << "虚函数表地址：" << (int*)(&b) << endl;            cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;             // Invoke the first virtual function             pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));            pFun();

我们同样可以用这种方式来取得整个对象实例的内存布局。因为这些东西在内存中都是连续分布的，我们只需要使用适当的地址偏移量，我们就可以获得整个内存对象的布局。

本篇文章中的例程或内存布局主要使用如下编译器和系统：

1）Windows 7 和 VC++ 2010

2）Cygwin 和 G++ 3.4.4

单一的一般继承

下面，我们假设有如下所示的一个继承关系：

请注意，在这个继承关系中，父类，子类，孙子类都有自己的一个成员变量。而了类覆盖了父类的f()方法，孙子类覆盖了子类的g_child()及其超类的f()。

我们的源程序如下所示：

#include 
     
      using namespace std;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; }};int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){	typedef void(*Fun)(void);	GrandChild gc;	Fun pFun=NULL;	int** pVtab = (int**)&gc;	cout << "[0] GrandChild::_vptr->" << endl;	/*for (int i=0; (Fun)pVtab[0][i]!=NULL; ++i){*/  	//本人注释 测试环境win7+VS2010 经过调试发现此环境下虚函数并不是以NULL结尾，所以原文修改为如下：	for (int i=0; i<6; ++i){		pFun = (Fun)pVtab[0][i];		cout << "    ["<
      <<"] ";		pFun();			}	cout << "[1] Parent.iparent = " << (int)pVtab[1] << endl;	cout << "[2] Child.ichild = " << (int)pVtab[2] << endl;	cout << "[3] GrandChild.igrandchild = " << (int)pVtab[3] << endl; 	return 0;}

使用图片表示如下：（红色部分为本人修改）

可见以下几个方面：

1）虚函数表在最前面的位置。

2）成员变量根据其继承和声明顺序依次放在后面。

3）在单一的继承中，被overwrite的虚函数在虚函数表中得到了更新。

多重继承

下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类只overwrite了父类的f()函数，而还有一个是自己的函数（我们这样做的目的是为了用g1()作为一个标记来标明子类的虚函数表）。而且每个类中都有一个自己的成员变量：

我们的类继承的源代码如下所示：父类的成员初始为10，20，30，子类的为100

#include 
     
      using namespace std;class Base1 {public:	int ibase1;	Base1():ibase1(10) {}	virtual void f() { cout << "Base1::f()" << endl; }	virtual void g() { cout << "Base1::g()" << endl; }	virtual void h() { cout << "Base1::h()" << endl; }};class Base2 {public:	int ibase2;	Base2():ibase2(20) {}	virtual void f() { cout << "Base2::f()" << endl; }	virtual void g() { cout << "Base2::g()" << endl; }	virtual void h() { cout << "Base2::h()" << endl; }};class Base3 {public:	int ibase3;	Base3():ibase3(30) {}	virtual void f() { cout << "Base3::f()" << endl; }	virtual void g() { cout << "Base3::g()" << endl; }	virtual void h() { cout << "Base3::h()" << endl; }};class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {public:	int iderive;	Derive():iderive(100) {}	virtual void f() { cout << "Derive::f()" << endl; }	virtual void g1() { cout << "Derive::g1()" << endl; }};int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){	typedef void(*Fun)(void);	Derive d;	Fun pFun=NULL;	int** pVtab = (int**)&d;	cout << "[0] Base1::_vptr->" << endl;	pFun = (Fun)pVtab[0][0];	cout << "     [0] ";	pFun();	pFun = (Fun)pVtab[0][1];	cout << "     [1] ";pFun();	pFun = (Fun)pVtab[0][2];	cout << "     [2] ";pFun();	pFun = (Fun)pVtab[0][3];	cout << "     [3] "; pFun();	pFun = (Fun)pVtab[0][4];	cout << "     [4] "; cout<
      
       <
       
        "<
        
         "<

我们通过上面的程序来查看子类实例的内存布局：上面程序中，注意我使用了一个s变量，其中用到了sizof(Base)来找下一个类的偏移量。（因为我声明的是int成员，所以是4个字节，所以没有对齐问题。关于内存的对齐问题，大家可以自行试验，我在这里就不多说了）

使用图片表示是下面这个样子：

我们可以看到：

1）每个父类都有自己的虚表。

2）子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。

3）内存布局中，其父类布局依次按声明顺序排列。

4）每个父类的虚表中的f()函数都被overwrite成了子类的f()。这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。