概述

我们都知道类中包含着数据成员，但是数据成员在内存中是怎样分布的呢？继承之后数据又是怎样布局的呢？下面对这些问题进行整理解答。首先说明的是类的空间分布是编译器编译的结果，不同的编译器有可能会不一样，但是原理是一样的。

1、空类

我们定义了一个空类，然后对空类进行sizeof计算，如下：

class myclass
{
}；
cout  << sizeof myclass << endl;    //打印出1

按照正常的逻辑，这里应该为0啊，为什么会为1呢？

因为编译器在我们背后搞鬼，在我们定义空类后，编译器会安插一个char到类中。这样这个类定义出来的两个对象在内存中就是独一无二的。

2、数据成员的分布

C++标准要求，在同一个防控属性（private、protect、public）中，非静态数据变量在对象中的排列顺序和声明顺序一样。静态成员变量会存放在数据模块中，不会放在对象布局中，和类对象无关。

对象的成员变量初始化的顺序是由声明顺序决定就是这样来的。

数据与数据之后并不一定是连续空间，因为有 边界调整（对齐补齐）的原因会填补一些字节。如

class myclass
{char   m_char;     //占1个字节int      m_iNum;     //占4个字节short    m_iport;    //占2个字节
};
cout << sizeof myclass << endl;

输出的结果为12，内存占用如下图所示：

每个方格代表一个字节，黄色的代表填补字节。

编译器为了支持对象模型，有时会合成一些内部使用的数据成员，如vptr（指向虚函数表的指针）。传统的编译器会把这些合成的数据放到显示声明的变量后面，但是也有的会放到前面。

3、继承数据分布

在C++继承模型中，一个派生类所表现出来的东西，是其自己的成员加上其基类成员的总和。至于顺序则没有强制规定。但是大部分的编译器，基类的数据总是先出现。下面我们就按照大部分的情况进行整理。

3.1、只有继承，没有虚函数

我们首先来看下面的例子：

class Concrete1
{int    val;char    bit1;
};class Concrete2 : public Concrete1
{char   bit2;
};class Concrete3 : public Concrete2
{char   bit3;
};

类对象在内存中的分布情况下：

你会发现每个类后面都有3个字节个填补字节，这样造成了内存的浪费。但是这样又是必须的，下面让我们来看把填补字节去掉会发生什么。如下图：

如果用Concrete1的对象给Concrete2对象赋值，则bit2的字节赋值时错误的。

所以在设计继承时，要考虑这样设计合不合理。

3.2、增加虚函数

首先看一下在增加虚函数之后，编译器做了什么（详情请看虚函数原理）：

导入一个virtual table（虚函数表），用来存放它所声明的每一个虚函数地址。这个table的元素个数一般而言是虚函数的个数，再加上一个或两个（用以支持runtime type identification）。
在每一个类对象中导入一个vptr，提供执行期的链接，使每个对象能够找到相应对的virtual table
加强构造函数，使它能够为vptr设定初值，让它指向类所对应的virtual table
加强析构函数，使它能够抹消指向class之相关的virtual table的vptr

对于vptr放到对象布局中哪个地方，一般会放到尾端，因为这样可以兼容C语言代码，如：

struct no_virts
{
int d1,d2;
};class has_virts : public no_virts
{
virtual void foo();
int d3;
};

内存中布局为：

当然也有编译器把vptr放到前面，只要把__vptr__has_virts移动到d1前面。

3.3、多重继承

假设有这样的几个类，声明和继承关系如下：

class Point2d
{
virtual foo();
float   _x,_y;
}；class Point3d : public Point2d
{
float   _z;
}；class Vertex
{
virtual foo2();
Vertex* next;
};class Vertex3d: public Point3d, public Vertex
{
float mumble;
};

类的内存分布如下：

一般编译器是根据继承的声明顺序来排列它们，Vertex3d对象，可被视为一个Point2D的子对象加上一个Point3d的数据，在加上Vertex子对象，最后加上vertex3d自己的部分。内存布局如图所示：

当然编译器会进行优化，对于多个虚指针会合并成一个，只是对虚函数表进行修改。

3.3、虚继承

一般的编译器是，如果Class内含一个或多个virtual base class，则对象会被分隔成两部分：一个不变区域和一个共享区域。

对于不变区域中的数据，不管后续如何衍化，总是拥有固定的offset，所以这一部分数据可以被直接存取。对于共享区域，就是virtual base class对象数据，其位置会因为每次的派生操作而有变化，所以他们只能被间接存取。

一般的编译器会在虚函数表中放置虚基类的偏移，和虚函数指针放在混在一起。可通过虚函数表的索引值进行区分。正值，是虚函数，负值，则是虚基类。

这样虚继承的内存分布就和普通继承一样了，但是对于虚基类中的成员做存取操作，需要先去虚函数表中进行索引，然后进行存取操作，时间会稍微慢些。

所以一般而言，虚基类最好是一个抽象类，且没有任何的成员变量。

上面说的是一般做法，有的编译器会在类中增加一个vbptr。类似于vptr，这个是指向虚基类的指针。原意跟虚函数的一样。所以不同的编译器要具体分析。

4、数据存取

对于静态成员变量，存放在静态区，读取和使用没有影响。如果多个类拥有同名的静态变量，编译器会对每一个静态成员进行编码，获得一个独一无二的程序识别代码。

对于基类非静态成员变量，在对象编译的时候，变量相对于类对象的偏移是固定的，所以读取速度和struct成员是一样的。

对于非虚基类非静态成员变量，在对象编译的时候偏移量也是已知的，只是有时需要加减虚指针的大小，但是这原本就是编译器生成的，所以速度和上面的一样。

对于虚基类中成员，在存取时需要导入一层新的间接性，所以存取会稍慢一些。

5、总结

类对象的实际分布情况是编译器决定的，不同的编译器会有不同的结果。上面整理只是一些常用的方法，所以具体的情况需要具体的分析。

在Visual Studio中，右击项目，在属性（Properties）-> C/C++ -> 命令行（Command Line）-> 附加选项（Additional Options）中输入/d1 reportAllClassLayout即可在输出窗口中查看类的内存分布

感谢大家，我是假装很努力的YoungYangD（小羊）

参考资料：
《深度探索 C++对象模型》

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