c++对象内存布局示例详解 c++对象内存布局示例详解

前言
继承对象的内存布局
具有多重继承和虚拟功能的对象的内存布局
总结

【c++对象内存布局示例详解】
前言了解你所使用的编程语言究竟是如何实现的，对于C++程序员可能特别有意义。首先，它可以去除我们对于所使用语言的神秘感，使我们不至于对于编译器干的活感到完全不可思议；尤其重要的是，它使我们在Debug和使用语言高级特性的时候，有更多的把握。当需要提高代码效率的时候，这些知识也能够很好地帮助我们。
简单非多态的内存布局

class X {intx; floatxx; public:X() {}~X() {}void printInt() {}void printFloat() {}};

|||------------------------| <------ X class object memory layout|int X::x||------------------------|stack segment|float X::xx|||------------------------||||\|/||||------|------------------------|----------------|X::X()| |------------------------|||X::~X()|||------------------------|\|/|X::printInt()|text segment|------------------------||X::printFloat()||------------------------|||

在本示例中

只有数据成员存储在堆栈中，且其声明顺序或者存储顺序的行为与编译器强相关
所有其他方法（构造函数，析构函数和编译器扩展代码）都进存储在文本段。然后，这些方法将被调用并隐式地在调用对象的第一个参数中传递该指针。

this指针是一个隐含于每一个成员函数中的特殊指针。它是一个指向正在被该成员函数操作的对象，也就是要操作该成员函数的对象。this作用域是在类内部，当对一个对象调用成员函数时，编译程序先将对象的地址赋给this指针，编译器会自动将对象本身的地址作为一个隐含参数传递给函数。也就是说，即使你没有写this指针，编译器在编译的时候也是加上this的，它作为非静态成员函数的隐含形参。被调用的成员函数函数体内所有对类成员的访问，都会被转化为“this->类成员”的方式。

针对第二点，我们类似于：

A x; x.printInt();

其中，X::printInt()这个行为，在编译器中，将处理为

printInt(const X* this)

那么，x.printInt()调用处理将最终成为

printInt(&x);

同时具有虚函数和静态数据成员的内存布局

class X {intx; floatxx; static intcount; public:X() {}virtual ~X() {}virtual void printAll() {}void printInt() {}void printFloat() {}static void printCount() {}};

其内存布局如下

|||------------------------| <------ X class object memory layout|int X::x|stack |------------------------|||float X::xx|||------------------------||-------|--------------------------|||X::_vptr|------||type_info X| \|/|------------------------||--------------------------||o||address of X::~X()||o||--------------------------||o|| address of X::printAll() ||||--------------------------|||------|------------------------|------------|static int X::count|/|\|------------------------|||o|data segment|o||||\|/------|------------------------|------------|X::X()| |------------------------|||X::~X()|||------------------------|| |X::printAll()|\|/ |------------------------|text segment|X::printInt()||------------------------||X::printFloat()||------------------------|| static X::printCount() ||------------------------|||

所有非静态数据成员都按照声明的顺序将空间放入堆栈中，与前面的示例顺序相同。
静态数据成员将空间放入内存的数据段中。使用范围解析运算符（即：:)进行的访问。但是在编译之后，就没有像作用域和名称空间那样的东西了。因为，它的名称只是由编译器执行，所以所有内容都由其绝对或相对地址引用。
静态数据成员将空间放入内存的数据段中。使用范围解析运算符（即：:)进行的访问。
静态方法进入文本段，并通过作用域解析运算符进行调用。
对于virtual关键字，编译器会自动将指向虚拟表的指针（vptr）插入对象内存表示中。通常，虚拟表是在数据段中为每个类静态创建的，但它也取决于编译器的实现。
在虚拟表中，第一个条目指向type_info对象，该对象包含与当前基类和其他基类的DAG（有向无环图）相关的信息（如果从这些基类派生的信息）。

继承对象的内存布局

class X {intx; string str; public:X() {}virtual ~X() {}virtual void printAll() {}}; class Y : public X {inty; public:Y() {}~Y() {}void printAll() {}};

其内存布局信息如下

|||------------------------------| <------ Y class object memory layout|int X::x|stack |------------------------------|||int string::len |||string X::str ----------------|||char* string::str | \|/|------------------------------||-------|--------------------------||X::_vptr|------||type_info Y||------------------------------||--------------------------||int Y::y||address of Y::~Y()||------------------------------||--------------------------||o|| address of Y::printAll() ||o||--------------------------||o|------|------------------------------|--------|X::X()| |------------------------------|||X::~X()|||------------------------------|| |X::printAll()|\|/ |------------------------------|text segment|Y::Y()||------------------------------||Y::~Y()||------------------------------||Y::printAll()||------------------------------||string::string()||------------------------------||string::~string()||------------------------------||string::length()||------------------------------||o||o||o|||

在继承模型中，基类和数据成员类是派生类的子对象。
编译器会在类的构造函数中生成具有所有重写的虚拟功能和为_vptr分配虚拟表的代码的虚拟表。

具有多重继承和虚拟功能的对象的内存布局

class X {public:intx; virtual ~X() {}virtual void printX() {}}; class Y {public:inty; virtual ~Y() {}virtual void printY() {}}; class Z : public X, public Y {public:intz; ~Z() {}void printX() {}void printY() {}void printZ() {}};

内存布局如下

|||------------------------------| <------ Z class object memory layoutstack |int X::x|||------------------------------||--------------------------|||X:: _vptr|----------------->|type_info Z|||------------------------------||--------------------------| \|/|int Y::y||address of Z::~Z()||------------------------------||--------------------------||Y:: _vptr|------||address of Z::printX() ||------------------------------|||--------------------------||int Z::z|||--------GUARD_AREA--------||------------------------------|||--------------------------||o||---------->|type_info Z||o||--------------------------||o||address of Z::~Z()||||--------------------------|------|------------------------------|---------|address of Z::printY() ||X::~X()|||--------------------------||------------------------------|||X::printX()|||------------------------------|||Y::~Y()|\|/|------------------------------|text segment|Y::printY()||------------------------------||Z::~Z()||------------------------------||Z::printX()||------------------------------||Z::printY()||------------------------------||Z::printZ()||------------------------------||o||o|||

在多继承层次结构中，创建的虚拟表指针（vptr）的确切数目将为N-1，其中N代表类的数目。
如果尝试使用任何基类指针调用Z类的方法，则它将使用相应的虚拟表进行调用。如下例子所示：

Y *y_ptr = new Z; y_ptr->printY(); // OKy_ptr->printZ(); // Not OK, as virtual table of class Y doesn't have address of printZ() method

在上面的代码中，y_ptr将指向完整Z对象内类Y的子对象。
结果，调用任何方法，例如使用y_ptr-> printY（）。使用y_ptr的解析方式如下：

( *y_ptr->_vtbl[ 2 ] )( y_ptr )

虚继承内存布局

class X { int x; }; class Y : public virtual X { int y; }; class Z : public virtual X { int z; }; class A : public Y, public Z { int a; };

其布局如下：

|| Y class------> |----------------| <------ A class object memory layoutsub-object|Y::y||----------------||------------------| |Y::_vptr_Y|------||offset of X| // offset(20) starts from Y Z class------> |----------------||----> |------------------|sub-object|Z::z||.....||----------------||------------------||Z::_vptr_Z|------||----------------|| A sub-object --> |A::a|||------------------| |----------------|||offset of X| // offset(12) starts from Z X class -------> |X::x||----> |------------------| shared|----------------||.....| sub-object|||------------------|