C++ 类的内存分布
C++类内存分布
下面总结一下:
1、虚基类指针和虚函数指针是可以继承的
2. 虚函数指针来源于父类或者自己是第一个声明虚函数的类(前提是自己没有继承虚函数指针,如果继承了,就不会产生新的虚函数指针),那么子类将父类的虚函数指针继承下来,并指向自身的虚表(发生在对象构造时,自己新建的表,不是父类的)。有多少个虚函数,虚函数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函数表与虚函数指针;
3、如果是多重继承的情况下,子类中含有多个来自父类的虚函数表,子类新写了一个虚函数,那么该虚函数的地址,只会添加在第一个继承的父类的虚函数指针指向的表的尾部。如果重写了父类的虚函数,那么含有该虚函数地址的多个虚函数表都会更改地址。
(上面图中和真实的内存情况不对应,虚函数指针不是这么紧密排列在一起的,但是原理是对的)
4. 如果是虚继承,那么子类就会产生(自己的)虚基类指针指向其虚基类表(多重虚继承的话,也只产生一个),虚基类表包括其继承体系上的所有被虚继承的类。(当然其内存中也会继承其父类的虚基类指针和虚基类表)
书上类继承相关章节到这里就结束了,这里不妨说下C++内存分布结构,我们来看看编译器是怎么处理类成员内存分布的,特别是在继承、虚函数存在的情况下。
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。
下面可以定义一个类,像下面这样:
1 class Base 2 { 3 int a; 4 int b; 5 public: 6 void CommonFunction(); 7 };
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:
1 class DerivedClass: public Base 2 { 3 int c; 4 public: 5 void DerivedCommonFunction(); 6 };
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:
1 class Base 2 { 3 int a; 4 int b; 5 public: 6 void CommonFunction(); 7 void virtual VirtualFunction(); 8 };
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。
下面加上子类,并在子类中添加虚函数,像下面这样:
1 class DerivedClass: public Base 2 { 3 int c; 4 public: 5 void DerivedCommonFunction(); 6 void virtual VirtualFunction(); 7 };
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。
我们把子类换个代码,像这样:
1 class DerivedClass1 : public Base 2 { 3 int c; 4 public: 5 void DerivedCommonFunction(); 6 void virtual VirtualFunction2(); 7 };
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。
我们再改造一下子类,像这样:
1 class DerivedClass1 : public Base 2 { 3 int c; 4 public: 5 void DerivedCommonFunction(); 6 void virtual VirtualFunction(); 7 void virtual VirtualFunction2(); 8 };
我们既覆写父类的虚函数,也有新添的虚函数,那么可以料想的到,是下面的这种内存分布:
下面来讨论多重继承,代码如下:
1 class Base2 {3 int a;4 int b;5 public:6 void CommonFunction();7 void virtual VirtualFunction();8 };9 10 11 class DerivedClass1: public Base 12 { 13 int c; 14 public: 15 void DerivedCommonFunction(); 16 void virtual VirtualFunction(); 17 }; 18 19 class DerivedClass2 : public Base 20 { 21 int d; 22 public: 23 void DerivedCommonFunction(); 24 void virtual VirtualFunction(); 25 }; 26 27 class DerivedDerivedClass : public DerivedClass1, public DerivedClass2 28 { 29 int e; 30 public: 31 void DerivedDerivedCommonFunction(); 32 void virtual VirtualFunction(); 33 };
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。
如果采用虚继承,像下面这样:
1 class DerivedClass1: virtual public Base2 {3 int c;4 public:5 void DerivedCommonFunction();6 void virtual VirtualFunction();7 };8 9 class DerivedClass2 : virtual public Base 10 { 11 int d; 12 public: 13 void DerivedCommonFunction(); 14 void virtual VirtualFunction(); 15 }; 16 17 class DerivedDerivedClass : public DerivedClass1, public DerivedClass2 18 { 19 int e; 20 public: 21 void DerivedDerivedCommonFunction(); 22 void virtual VirtualFunction(); 23 };
Base类没有变化,但往下看:
DerivedClass1就已经有变化了,原来是先排虚表指针与Base成员变量,vfptr位于0地址偏移处;但现在有两个虚表指针了,一个是vbptr,另一个是vfptr。vbptr是这个DerivedClass1对应的虚表指针,它指向DerivedClass1的虚表vbtable,另一个vfptr是虚基类表对应的虚指针,它指向vftable。
下面列出了两张虚表,第一张表是vbptr指向的表,8表示{vbptr}与{vfptr}的偏移;第二张表是vfptr指向的表,-8指明了这张表所对应的虚指针位于内存的偏移量。
DerivedClass2的内存分布类似于DerivedClass1,同样会有两个虚指针,分别指向两张虚表(第二张是虚基类表)。
下面来仔细看一下DerivedDerivedClass的内存分布,这里面有三个虚指针了,但base却只有一份。第一张虚表是内含DerivedClass1的,20表示它的虚指针{vbptr}离虚基表指针{vfptr}的距离,第二张虚表是内含DerivedClass2的,12表示它的虚指针{vbptr}离虚基表指针{vfptr}的距离,最后一张表是虚基表,-20指明了它对应的虚指针{vfptr}在内存中的偏移。
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)。
当如下情况时:
class A
{
public:int a;
};
class B:virtual public A
{
public:int b;};
class C:virtual public B
{
public:int c;};
内存结构如下:
如图所示,存在两个虚基表,一个是属于C本身的其中也包含了A和B的,一个是其父类B 的,只含有A的
在看一个例子
class A
{
public:int a;
};
class B:virtual public A
{
public:int b;};
class C:virtual public B
{
public:int c;};class D: virtual public B
{
public:int d;
};
class E:public C,public D
{
public:int e;
};
对于多重虚继承的情况
1 class A 2 { 3 4 public: 5 6 int a; 7 8 }; 9 10 class B:virtual public A 11 12 { 13 14 public: 15 16 int b; 17 18 19 20 }; 21 22 class C:virtual public A 23 24 { 25 26 public: 27 28 int c; 29 30 31 32 }; 33 34 35 36 class D: virtual public B,virtual public C 37 38 { 39 40 public: 41 42 int d; 43 44 };
上面的情况说明了,多重虚继承也只产生一个虚基类指针,和一个虚基类表,虚基类表包括了继承体系中所有被虚继承的类。
转载于:https://www.cnblogs.com/acSzz/p/5664922.html
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