c++对象的内存布局2--进阶篇---C++ 对象的内存布局（上）
目錄(?)[-]
前言
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07年12月，我寫了一篇《C++虛函數(shù)表解析》的文章，引起了大家的興趣。有很多朋友對我的文章留了言，有鼓勵我的，有批評我的，還有很多問問題的。我在這里一并對大家的留言表示感謝。這也是我為什么再寫一篇續(xù)言的原因。因為，在上一篇文章中，我用了的示例都是非常簡單的，主要是為了說明一些機理上的問題，也是為了圖一些表達上方便和簡單。不想，這篇文章成為了打開C++對象模型內(nèi)存布局的一個引子，引發(fā)了大家對C++對象的更深層次的討論。當(dāng)然，我之前的文章還有很多方面沒有涉及，從我個人感覺下來，在談?wù)撎摵瘮?shù)表里，至少有以下這些內(nèi)容沒有涉及：
1）有成員變量的情況。
2）有重復(fù)繼承的情況。
3）有虛擬繼承的情況。
4）有鉆石型虛擬繼承的情況。
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這些都是我本篇文章需要向大家說明的東西。所以，這篇文章將會是《C++虛函數(shù)表解析》的一個續(xù)篇，也是一篇高級進階的文章。我希望大家在讀這篇文章之前對C++有一定的基礎(chǔ)和了解，并能先讀我的上一篇文章。因為這篇文章的深度可能會比較深，而且會比較雜亂，我希望你在讀本篇文章時不會有大腦思維紊亂導(dǎo)致大腦死機的情況。;-)
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對象的影響因素
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簡而言之，我們一個類可能會有如下的影響因素：
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1）成員變量
2）虛函數(shù)（產(chǎn)生虛函數(shù)表）
3）單一繼承（只繼承于一個類）
4）多重繼承（繼承多個類）
5）重復(fù)繼承（繼承的多個父類中其父類有相同的超類）
6）虛擬繼承（使用virtual方式繼承，為了保證繼承后父類的內(nèi)存布局只會存在一份）
上述的東西通常是C++這門語言在語義方面對對象內(nèi)部的影響因素，當(dāng)然，還會有編譯器的影響（比如優(yōu)化），還有字節(jié)對齊的影響。在這里我們都不討論，我們只討論C++語言上的影響。
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本篇文章著重討論下述幾個情況下的C++對象的內(nèi)存布局情況。
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1）單一的一般繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）
2）單一的虛擬繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）
3）多重繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）
4）重復(fù)多重繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）
5）鉆石型的虛擬多重繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）
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我們的目標(biāo)就是，讓事情越來越復(fù)雜。
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知識復(fù)習(xí)
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我們簡單地復(fù)習(xí)一下，我們可以通過對象的地址來取得虛函數(shù)表的地址，如：
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??????????typedef?void(*Fun)(void);
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????????????Base b;
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????????????Fun pFun = NULL;
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????????????cout <<?"虛函數(shù)表地址："?<< (int*)(&b) << endl;
????????????cout <<?"虛函數(shù)表?—?第一個函數(shù)地址："?<< (int*)*(int*)(&b) << endl;
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????????????// Invoke the first virtual function?
????????????pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
????????????pFun();
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我們同樣可以用這種方式來取得整個對象實例的內(nèi)存布局。因為這些東西在內(nèi)存中都是連續(xù)分布的，我們只需要使用適當(dāng)?shù)牡刂菲屏?#xff0c;我們就可以獲得整個內(nèi)存對象的布局。
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本篇文章中的例程或內(nèi)存布局主要使用如下編譯器和系統(tǒng)：
1）Windows XP?和?VC++ 2003
2）Cygwin?和?G++ 3.4.4
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單一的一般繼承
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下面，我們假設(shè)有如下所示的一個繼承關(guān)系：
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請注意，在這個繼承關(guān)系中，父類，子類，孫子類都有自己的一個成員變量。而了類覆蓋了父類的f()方法，孫子類覆蓋了子類的g_child()及其超類的f()。
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我們的源程序如下所示：
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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; }
?
};
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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; }
};
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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; }
};
我們使用以下程序作為測試程序：（下面程序中，我使用了一個int** pVtab?來作為遍歷對象內(nèi)存布局的指針，這樣，我就可以方便地像使用數(shù)組一樣來遍歷所有的成員包括其虛函數(shù)表了，在后面的程序中，我也是用這樣的方法的，請不必感到奇怪，）
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????typedef?void(*Fun)(void);
????GrandChild gc;
???
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????int** pVtab = (int**)&gc;
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????cout <<?"[0] GrandChild::_vptr->"?<< endl;
????for?(int?i=0; (Fun)pVtab[0][i]!=NULL; i++){
????????????????pFun = (Fun)pVtab[0][i];
????????????????cout <<?"????["<<i<<"] ";
????????????????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;
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其運行結(jié)果如下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）
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| [0] GrandChild::_vptr-> ????[0] GrandChild::f() ????[1] Parent::g() ????[2] Parent::h() ????[3] GrandChild::g_child() ????[4] Child::h1() ????[5] GrandChild::h_grandchild() [1] Parent.iparent = 10 [2] Child.ichild = 100 [3] GrandChild.igrandchild = 1000 |
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使用圖片表示如下：
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可見以下幾個方面：
1）虛函數(shù)表在最前面的位置。
2）成員變量根據(jù)其繼承和聲明順序依次放在后面。
3）在單一的繼承中，被overwrite的虛函數(shù)在虛函數(shù)表中得到了更新。
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多重繼承
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下面，再讓我們來看看多重繼承中的情況，假設(shè)有下面這樣一個類的繼承關(guān)系。注意：子類只overwrite了父類的f()函數(shù)，而還有一個是自己的函數(shù)（我們這樣做的目的是為了用g1()作為一個標(biāo)記來標(biāo)明子類的虛函數(shù)表）。而且每個類中都有一個自己的成員變量：
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我們的類繼承的源代碼如下所示：父類的成員初始為10，20，30，子類的為100
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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; }
};
?
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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; }
};
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我們通過下面的程序來查看子類實例的內(nèi)存布局：下面程序中，注意我使用了一個s變量，其中用到了sizof(Base)來找下一個類的偏移量。（因為我聲明的是int成員，所以是4個字節(jié)，所以沒有對齊問題。關(guān)于內(nèi)存的對齊問題，大家可以自行試驗，我在這里就不多說了）
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?????????????typedef?void(*Fun)(void);
???????????????Derive d;
?
????????????????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<<pFun<<endl;
?
????????????????cout <<?"[1] Base1.ibase1 = "?<< (int)pVtab[1] << endl;
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????????????????int?s =?sizeof(Base1)/4;
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????????????????cout <<?"["?<< s <<?"] Base2::_vptr->"<<endl;
????????????????pFun = (Fun)pVtab[s][0];
????????????????cout <<?"?????[0] "; pFun();
?
????????????????Fun = (Fun)pVtab[s][1];
????????????????cout <<?"?????[1] "; pFun();
?
????????????????pFun = (Fun)pVtab[s][2];
????????????????cout <<?"?????[2] ";?pFun();
?
????????????????pFun = (Fun)pVtab[s][3];
????????????????out <<?"?????[3] ";
????????????????cout<<pFun<<endl;
?
????????????????cout <<?"["<< s+1?<<"] Base2.ibase2 = "?<< (int)pVtab[s+1] << endl;
?
????????????????s = s +?sizeof(Base2)/4;
????????????????cout <<?"["?<< s <<?"] Base3::_vptr->"<<endl;
????????????????pFun = (Fun)pVtab[s][0];
????????????????cout <<?"?????[0] "; pFun();
?
????????????????pFun = (Fun)pVtab[s][1];
????????????????cout <<?"?????[1] ";?pFun();
?
????????????????pFun = (Fun)pVtab[s][2];
????????????????cout <<?"?????[2] ";?pFun();
?
????????????????pFun = (Fun)pVtab[s][3];
?????????????????cout <<?"?????[3] ";
????????????????cout<<pFun<<endl;
?
????????????????s++;
????????????????cout <<?"["<< s <<"] Base3.ibase3 = "?<< (int)pVtab[s] << endl;
????????????????s++;
????????????????cout <<?"["<< s <<"] Derive.iderive = "?<< (int)pVtab[s] << endl;
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其運行結(jié)果如下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）
| [0] Base1::_vptr-> ?????[0] Derive::f() ?????[1] Base1::g() ?????[2] Base1::h() ?????[3] Driver::g1() ?????[4] 00000000????????注意：在GCC下，這里是1 [1] Base1.ibase1 = 10 [2] Base2::_vptr-> ?????[0] Derive::f() ?????[1] Base2::g() ?????[2] Base2::h() ?????[3] 00000000????????注意：在GCC下，這里是1 [3] Base2.ibase2 = 20 [4] Base3::_vptr-> ?????[0] Derive::f() ?????[1] Base3::g() ?????[2] Base3::h() ?????[3] 00000000 [5] Base3.ibase3 = 30 [6] Derive.iderive = 100 |
使用圖片表示是下面這個樣子：
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我們可以看到：
1）??每個父類都有自己的虛表。
2）??子類的成員函數(shù)被放到了第一個父類的表中。
3）??內(nèi)存布局中，其父類布局依次按聲明順序排列。
4）??每個父類的虛表中的f()函數(shù)都被overwrite成了子類的f()。這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個子類實例，而能夠調(diào)用到實際的函數(shù)。
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原帖：http://blog.csdn.net/haoel/article/details/3081328? ? 作者：陳皓 ?(轉(zhuǎn)載時請注明作者和出處。未經(jīng)許可，請勿用于商業(yè)用途)
轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/catkins/archive/2012/11/02/5270716.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的c++对象的内存布局2--进阶篇---C++ 对象的内存布局（上）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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