C++类内存分布——深度理解继承与虚函数
1.前言与准备
工欲善其事,必先利其器,我们先用好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,然后在其他选项这里写上/d1 reportAllClassLayout,它可以看到所有相关类的内存布局,如果写上/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。
2.单继承实验
下面可以定义一个类,像下面这样:
class Base {int a;int b; public:void CommonFunction(); };
然后编译一下,可以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,所以成员变量都设为int型。从这里可以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,往后面添加如下代码:
class DerivedClass: public Base {int c; public:void DerivedCommonFunction(); };
编译,然后看到如下的内存分布(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):
可以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,同样,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:
class Base {int a;int b; public:void CommonFunction();void virtual VirtualFunction(); };
这个内存结构图分成了两个部分,上面是内存分布,下面是虚表,我们逐个看。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),然后再是成员变量;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,所以只有一项,如果有多个虚函数,会有序号为1,为2的虚函数列出来。
编译器是在构造函数创建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,当创建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;同样,当创建子类的对象时,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)。
所以,如果是调用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*的转换并没有改变虚表指针,所以这时候p->VirtualFunction,实际上是p->vfptr->VirtualFunction,它在构造的时候就已经指向了子类的VirtualFunction,所以调用的是子类的虚函数,这就是多态了。
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下面加上子类,并在子类中添加虚函数,像下面这样:
class DerivedClass: public Base
{int c;
public:void DerivedCommonFunction();void virtual VirtualFunction();
};
可以看到子类内存的排布如下:
上半部是内存分布,可以看到,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,子类并没有再生成虚表指针了;下半部的虚表情况与父类是一样的。
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我们把子类换个代码,像这样:
class DerivedClass1 : public Base
{int c;
public:void DerivedCommonFunction();void virtual VirtualFunction2();
};
注意到这时我们并没有覆写父类的虚方法,而是重声明了一个新的子类虚方法,内存分布如下:
还是只有一个虚表指针,但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,如果定义了DerivedClass的对象,那么在构造时,虚表指针就会指向这个虚表,以后如果调用的是VirtualFunction,那么会从父类中寻找对应的虚函数,如果调用的是VirtualFunction2,那么会从子类中寻找对应的虚函数。
3.多继承实验
下面来讨论多重继承,代码如下:
class Base {int a;int b; public:void CommonFunction();void virtual VirtualFunction(); };class DerivedClass1: public Base {int c; public:void DerivedCommonFunction();void virtual VirtualFunction(); };class DerivedClass2 : public Base {int d; public:void DerivedCommonFunction();void virtual VirtualFunction(); };class DerivedDerivedClass : public DerivedClass1, public DerivedClass2 {int e; public:void DerivedDerivedCommonFunction();void virtual VirtualFunction(); };
内存分布从父类到子类,依次如下:
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的情况是类似于DerivedClass1的。
下面我们重点看看这个类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,然后是成员变量a和b;DerivedClass2的内存排布类似于DerivedClass1,注意到DerivedClass2里面竟然也有一份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。
4.总结
虚继承的作用是减少了对基类的重复,代价是增加了虚表指针的负担(更多的虚表指针)。
下面总结一下(当基类有虚函数时):
1. 每个类都有虚指针和虚表;
2. 如果不是虚继承,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. 如果是虚继承,那么子类会有两份虚指针,一份指向自己的虚表,另一份指向虚基表,多重继承时虚基表与虚基表指针有且只有一份。
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