關(guān)于C++對(duì)象繼承中的內(nèi)存布局示例詳解

更新時(shí)間：2017年08月04日 10:02:53 作者：Suhw

這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于C++對(duì)象繼承中內(nèi)存布局的相關(guān)資料，文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面跟著小編來(lái)一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧。

前言

本文給大家介紹的是關(guān)于C++對(duì)象繼承的內(nèi)存布局的相關(guān)內(nèi)容，分享出來(lái)供大家參考學(xué)習(xí)，在開(kāi)始之前說(shuō)明下，關(guān)于單繼承和多繼承的簡(jiǎn)單概念可參考此文章

以下編譯環(huán)境均為：WIN32+VS2015

虛函數(shù)表

對(duì)C++ 了解的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)（Virtual Function）是通過(guò)一張?zhí)摵瘮?shù)表（Virtual Table）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)稱(chēng)為V-Table。在這個(gè)表中，主是要一個(gè)類(lèi)的虛函數(shù)的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問(wèn)題，保證其容真實(shí)反應(yīng)實(shí)際的函數(shù)。

首先先通過(guò)一個(gè)例子來(lái)引入虛函數(shù)表，假如現(xiàn)在有三個(gè)類(lèi)如下：

class A //包含虛函數(shù)的類(lèi)
{
public:
 virtual void func1()
 {}

 virtual void func2()
 {}
};

class B//空類(lèi)
{};

class C //包含成員函數(shù)不包含成員變量的類(lèi)
{
 void fun()
 {}
};

void Test1()
{
 cout << sizeof(A) << endl;
 cout << sizeof(B) << endl;
 cout << sizeof(C) << endl;
}

就上述的代碼，將會(huì)分別輸出4，1，1

造成A的大小為4的原因就是：在A(yíng)中存放了一個(gè)指向A類(lèi)的虛函數(shù)表的指針。而32位下一個(gè)指針大小為4字節(jié)，所以就為4。

A類(lèi)實(shí)例化后在內(nèi)存中對(duì)應(yīng)如下：

注：在虛函數(shù)表中用0來(lái)結(jié)尾。

通過(guò)內(nèi)存中的顯示我們就能知道編譯器應(yīng)該將虛函數(shù)表的指針存在于對(duì)象實(shí)例中最前面的位置，所以可以&a轉(zhuǎn)成int*，取得虛函數(shù)表的地址，再?gòu)?qiáng)轉(zhuǎn)成（int*）方便接下來(lái)可以每次只訪(fǎng)問(wèn)四個(gè)字節(jié)大?。ㄌ摵瘮?shù)表可看做是一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組，由于32位下指針是4字節(jié)，所以轉(zhuǎn)為（int*））。將取得的int*指針傳給下面的打印虛函數(shù)表的函數(shù)，就能夠打印出對(duì)應(yīng)的地址信息。

typedef void(*FUNC) ();

//int*VTavle = (int*)(*(int*)&a)
//傳參完成后就可打印出對(duì)應(yīng)的信息。
void PrintVTable(int* VTable)
{
 cout << " 虛表地址>" << VTable << endl;
 for (int i = 0; VTable[i] != 0; ++i)
 {
 printf(" 第%d個(gè)虛函數(shù)地址 :0X%x,->", i, VTable[i]);
 FUNC f = (FUNC)VTable[i];
 f();
 }
 cout << endl;
}

接下來(lái)就來(lái)分析各種繼承關(guān)系中對(duì)應(yīng)的內(nèi)存模型以及虛函數(shù)表

單繼承（無(wú)虛函數(shù)覆蓋）

class A
{
public:
 virtual void func1()
 {
 cout << "A::func1" << endl;
 }

 virtual void func2()
 {
 cout << "A::func2" << endl;
 }

public:
 int _a;
};

class B : public A
{
public:
 virtual void func3()
 {
 cout << "B::func3" << endl;
 }

 virtual void func4()
 {
 cout << "B::func4" << endl;
 }

public:
 int _b;
};
void Test1()
{
 B b;
 b._a = 1;
 b._b = 2;

 int* VTable = (int*)(*(int*)&b);
 PrintVTable(VTable);
}

將內(nèi)存中的顯示和我們寫(xiě)的顯示虛函數(shù)表對(duì)應(yīng)起來(lái)如下：

小結(jié)：

1）虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。

2）父類(lèi)的虛函數(shù)在子類(lèi)的虛函數(shù)前面。（由于子類(lèi)單繼承父類(lèi)，直接使用父類(lèi)的虛函數(shù)表）

一般繼承（成員變量+虛函數(shù)覆蓋）

在上面例子進(jìn)行稍微修改，使得子類(lèi)中有對(duì)父類(lèi)虛函數(shù)的覆蓋，進(jìn)行和之前同樣的測(cè)試：

class A
{
public:
 virtual void func1()
 {
 cout << "A::func1" << endl;
 }

 virtual void func2()
 {
 cout << "A::func2" << endl;
 }

public:
 int _a;
};

class B : public A
{
public:
 virtual void func1()
 {
 cout << "B::func1" << endl;
 }

 virtual void func3()
 {
 cout << "B::func3" << endl;
 }

public:
 int _b;
};

小結(jié)：

1）覆蓋的func()函數(shù)被放到了虛表中原來(lái)父類(lèi)虛函數(shù)的位置。

2）沒(méi)有被覆蓋的函數(shù)依舊。

多重繼承（成員變量+虛函數(shù)覆蓋）

class A
{
public:
 virtual void func1()
 {
 cout << "A::func1" << endl;
 }

 virtual void func2()
 {
 cout << "A::func2" << endl;
 }

public:
 int _a;
};

class B 
{
public:
 virtual void func3()
 {
 cout << "B::func1" << endl;
 }


public:
 int _b;
};

class C : public A , public B
{
 //覆蓋A::func1()
 virtual void func1()
 {
 cout << "C::func1()"<<endl;
 }

 virtual void func4()
 {
 cout << "C::func4()" << endl;
 }
public:
 int _c;
};

再次調(diào)試觀(guān)察：

小結(jié)：

多重繼承后的子類(lèi)將與自己第一個(gè)繼承的父類(lèi)公用一份虛函數(shù)表。（上述例子中A為C的第一個(gè)繼承類(lèi)）

菱形繼承（成員變量 + 虛函數(shù)覆蓋）

class A
{
public:
 virtual void func1()
 {
 cout << "A::func1" << endl;
 }

public:
 int _a;
};

class B : public A
{
public:
 virtual void func2()
 {
 cout << "B::func2" << endl;
 }

public:
 int _b;
};

class C : public A 
{
 virtual void func3()
 {
 cout << "C::func3()" << endl;
 }

public:
 int _c;
};

class D : public B , public C
{
 virtual void func2()
 {
 cout << "D::fun2()" << endl;
 }

 virtual void func4()
 {
 cout << "D::fun4()" << endl;
 }
public:
 int _d;
};

void Test1()
{
 D d;
 d.B::_a = 1;
 d.C::_a = 2;
 d._b = 3;
 d._c = 4;
 d._d = 5;

 int* VTable = (int*)(*(int*)&d);
 PrintVTable(VTable);
}

掌握了單繼承和多繼承的規(guī)律，按照總結(jié)的一步步分析，就可以最終得到D的虛函數(shù)表。

由于子類(lèi)B繼承父類(lèi)A，所以B與A公用一個(gè)虛函數(shù)表，又因?yàn)锽是D多繼承中的第一個(gè)繼承的類(lèi)，所以B，D共用一個(gè)虛函數(shù)表。

菱形的虛擬繼承（成員變量 + 虛函數(shù)覆蓋）

參考下面這個(gè)例子：

class A
{
public:
 virtual void func1()
 {
 cout << "A::func1()" << endl;
 }
 virtual void func2()
 {
 cout << "A::func2()" << endl;
 }

public:
 int _a;
};

class B : virtual public A//虛繼承A，覆蓋func1()
{
public:
 virtual void func1()
 {
 cout << "B::func1()" << endl;
 }
 virtual void func3()
 {
 cout << "B::func3()" << endl;
 }

public:
 int _b;
};

class C : virtual public A //虛繼承A，覆蓋func1()
{
 virtual void func1()
 {
 cout << "C::func1()" << endl;
 }

 virtual void func3()
 {
 cout << "C::func3()" << endl;
 }

public:
 int _c;
};

class D : public B , public C//虛繼承B，C,覆蓋func1()
{
 virtual void func1()
 {
 cout << "D::func1()" << endl;
 }

 virtual void func4()
 {
 cout << "D::func4()" << endl;
 }

public:
 int _d;
};

typedef void(*FUNC) ();

void PrintVTable(int* VTable)
{
 cout << " 虛表地址>" << VTable << endl;
 for (int i = 0; VTable[i] != 0; ++i)
 {
 printf(" 第%d個(gè)虛函數(shù)地址 :0X%x,->", i, VTable[i]);
 FUNC f = (FUNC)VTable[i];
 f();
 }
 cout << endl;
}

void Test1()
{
 D d;
 d.B::_a = 1;
 d.C::_a = 2;
 d._b = 3;
 d._c = 4;
 d._d = 5;

 cout <<"sizeof(A) = "<< sizeof(A) << endl;
 cout << "sizeof(B) = " << sizeof(B) << endl;
 cout << "sizeof(C) = " << sizeof(C) << endl;

 //打印d的虛函數(shù)表
 int* VTable = (int*)(*(int*)&d);
 PrintVTable(VTable);

 //打印C的虛函數(shù)表
 VTable = (int*)*(int*)((char*)&d + sizeof(B)-sizeof(A)); 
 PrintVTable(VTable);

 //打印A的虛函數(shù)表
 VTable = (int*)*(int*)((char*)&d + sizeof(B)+sizeof(C)-2*sizeof(A)+4); 
 PrintVTable(VTable);

}

接下來(lái)就慢慢分析：

1）先通過(guò)調(diào)試查看內(nèi)存中是如何分配的，并和我們打印出的虛函數(shù)表對(duì)應(yīng)起來(lái)：

注：由于B，C是虛繼承A，所以編譯器為了解決菱形繼承所帶來(lái)的“二義性”以及“數(shù)據(jù)冗余”，便將A放在最末端，并在子類(lèi)中存放一個(gè)虛基表，方便找到父類(lèi)；而虛基表的前四個(gè)字節(jié)存放的是對(duì)于自己虛函數(shù)表的偏移量，再往下四個(gè)字節(jié)才是對(duì)于父類(lèi)的偏移量。

2）接下來(lái)就抽象出來(lái)分析模型