C++ 對象的內(nèi)存布局(上)

陳皓

前言

07年12月，我寫了一篇《C++虛函數(shù)表解析》的文章，引起了大家的興趣。有很多朋友對我的文章留了言，有鼓勵(lì)我的，有批評我的，還有很多問問題的。我在這里一并對大家的留言表示感謝。這也是我為什么再寫一篇續(xù)言的原因。因?yàn)椋谏弦黄恼轮校矣昧说氖纠际欠浅：唵蔚模饕菫榱苏f明一些機(jī)理上的問題，也是為了圖一些表達(dá)上方便和簡單。不想，這篇文章成為了打開C++對象模型內(nèi)存布局的一個(gè)引子，引發(fā)了大家對C++對象的更深層次的討論。當(dāng)然，我之前的文章還有很多方面沒有涉及，從我個(gè)人感覺下來，在談?wù)撎摵瘮?shù)表里，至少有以下這些內(nèi)容沒有涉及：

1）有成員變量的情況。

2）有重復(fù)繼承的情況。

3）有虛擬繼承的情況。

4）有鉆石型虛擬繼承的情況。

這些都是我本篇文章需要向大家說明的東西。所以，這篇文章將會是《C++虛函數(shù)表解析》的一個(gè)續(xù)篇，也是一篇高級進(jìn)階的文章。我希望大家在讀這篇文章之前對C++有一定的基礎(chǔ)和了解，并能先讀我的上一篇文章。因?yàn)檫@篇文章的深度可能會比較深，而且會比較雜亂，我希望你在讀本篇文章時(shí)不會有大腦思維紊亂導(dǎo)致大腦死機(jī)的情況。;-)

對象的影響因素

簡而言之，我們一個(gè)類可能會有如下的影響因素：

1）成員變量

2）虛函數(shù)（產(chǎn)生虛函數(shù)表）

3）單一繼承（只繼承于一個(gè)類）

4）多重繼承（繼承多個(gè)類）

5）重復(fù)繼承（繼承的多個(gè)父類中其父類有相同的超類）

6）虛擬繼承（使用virtual方式繼承，為了保證繼承后父類的內(nèi)存布局只會存在一份）

上述的東西通常是C++這門語言在語義方面對對象內(nèi)部的影響因素，當(dāng)然，還會有編譯器的影響（比如優(yōu)化），還有字節(jié)對齊的影響。在這里我們都不討論，我們只討論C++語言上的影響。

本篇文章著重討論下述幾個(gè)情況下的C++對象的內(nèi)存布局情況。

1）單一的一般繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）

2）單一的虛擬繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）

3）多重繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）

4）重復(fù)多重繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）

5）鉆石型的虛擬多重繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）

我們的目標(biāo)就是，讓事情越來越復(fù)雜。

知識復(fù)習(xí)

我們簡單地復(fù)習(xí)一下，我們可以通過對象的地址來取得虛函數(shù)表的地址，如：

typedefvoid(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虛函數(shù)表地址：" << (int*)(&b) << endl;

cout << "虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));

pFun();

我們同樣可以用這種方式來取得整個(gè)對象實(shí)例的內(nèi)存布局。因?yàn)檫@些東西在內(nèi)存中都是連續(xù)分布的，我們只需要使用適當(dāng)?shù)牡刂菲屏浚覀兙涂梢垣@得整個(gè)內(nèi)存對象的布局。

本篇文章中的例程或內(nèi)存布局主要使用如下編譯器和系統(tǒng)：

1）Windows XP 和 VC++ 2003

2）Cygwin 和 G++ 3.4.4

單一的一般繼承

下面，我們假設(shè)有如下所示的一個(gè)繼承關(guān)系：

請注意，在這個(gè)繼承關(guān)系中，父類，子類，孫子類都有自己的一個(gè)成員變量。而了類覆蓋了父類的f()方法，孫子類覆蓋了子類的g_child()及其超類的f()。

我們的源程序如下所示：

class Parent {

public:

int iparent;

Parent ():iparent (10) {}

virtualvoid f() { cout << "Parent::f()" << endl; }

virtualvoid g() { cout << "Parent::g()" << endl; }

virtualvoid h() { cout << "Parent::h()" << endl; }

};

class Child : public Parent {

public:

int ichild;

Child():ichild(100) {}

virtualvoid f() { cout << "Child::f()" << endl; }

virtualvoid g_child() { cout << "Child::g_child()" << endl; }

virtualvoid h_child() { cout << "Child::h_child()" << endl; }

};

class GrandChild : public Child{

public:

int igrandchild;

GrandChild():igrandchild(1000) {}

virtualvoid f() { cout << "GrandChild::f()" << endl; }

virtualvoid g_child() { cout << "GrandChild::g_child()" << endl; }

virtualvoid h_grandchild() { cout << "GrandChild::h_grandchild()" << endl; }

};

我們使用以下程序作為測試程序：（下面程序中，我使用了一個(gè)int** pVtab 來作為遍歷對象內(nèi)存布局的指針，這樣，我就可以方便地像使用數(shù)組一樣來遍歷所有的成員包括其虛函數(shù)表了，在后面的程序中，我也是用這樣的方法的，請不必感到奇怪，）

typedefvoid(*Fun)(void);

GrandChild gc;

int** pVtab = (int**)&gc;

cout << "[0] GrandChild::_vptr->" << endl;

for (int i=0; (Fun)pVtab[0][i]!=NULL; i++){

pFun = (Fun)pVtab[0][i];

cout << " ["<<i<<"] ";

pFun();

}

cout << "[1] Parent.iparent = " << (int)pVtab[1] << endl;

cout << "[2] Child.ichild = " << (int)pVtab[2] << endl;

cout << "[3] GrandChild.igrandchild = " << (int)pVtab[3] << endl;

其運(yùn)行結(jié)果如下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）

[0] GrandChild::_vptr->

[0] GrandChild::f()

[1] Parent::g()

[2] Parent::h()

[3] GrandChild::g_child()

[4] Child::h1()

[5] GrandChild::h_grandchild()

[1] Parent.iparent = 10

[2] Child.ichild = 100

[3] GrandChild.igrandchild = 1000

使用圖片表示如下：

可見以下幾個(gè)方面：

1）虛函數(shù)表在最前面的位置。

2）成員變量根據(jù)其繼承和聲明順序依次放在后面。

3）在單一的繼承中，被overwrite的虛函數(shù)在虛函數(shù)表中得到了更新。

多重繼承

下面，再讓我們來看看多重繼承中的情況，假設(shè)有下面這樣一個(gè)類的繼承關(guān)系。注意：子類只overwrite了父類的f()函數(shù)，而還有一個(gè)是自己的函數(shù)（我們這樣做的目的是為了用g1()作為一個(gè)標(biāo)記來標(biāo)明子類的虛函數(shù)表）。而且每個(gè)類中都有一個(gè)自己的成員變量：

我們的類繼承的源代碼如下所示：父類的成員初始為10，20，30，子類的為100

class Base1 {

public:

int ibase1;

Base1():ibase1(10) {}

virtualvoid f() { cout << "Base1::f()" << endl; }

virtualvoid g() { cout << "Base1::g()" << endl; }

virtualvoid h() { cout << "Base1::h()" << endl; }

};

class Base2 {

public:

int ibase2;

Base2():ibase2(20) {}

virtualvoid f() { cout << "Base2::f()" << endl; }

virtualvoid g() { cout << "Base2::g()" << endl; }

virtualvoid h() { cout << "Base2::h()" << endl; }

};

class Base3 {

public:

int ibase3;

Base3():ibase3(30) {}

virtualvoid f() { cout << "Base3::f()" << endl; }

virtualvoid g() { cout << "Base3::g()" << endl; }

virtualvoid h() { cout << "Base3::h()" << endl; }

};

class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {

public:

int iderive;

Derive():iderive(100) {}

virtualvoid f() { cout << "Derive::f()" << endl; }

virtualvoid g1() { cout << "Derive::g1()" << endl; }

};

我們通過下面的程序來查看子類實(shí)例的內(nèi)存布局：下面程序中，注意我使用了一個(gè)s變量，其中用到了sizof(Base)來找下一個(gè)類的偏移量。（因?yàn)槲衣暶鞯氖?/span>int成員，所以是4個(gè)字節(jié)，所以沒有對齊問題。關(guān)于內(nèi)存的對齊問題，大家可以自行試驗(yàn)，我在這里就不多說了）

typedefvoid(*Fun)(void);

Derive d;

int** pVtab = (int**)&d;

cout << "[0] Base1::_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab[0][0];

cout << " [0] ";

pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][1];

cout << " [1] ";pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][2];

cout << " [2] ";pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][3];

cout << " [3] ";pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][4];

cout << " [4] ";cout<<pFun<<endl;

cout << "[1] Base1.ibase1 = " << (int)pVtab[1] << endl;

int s = sizeof(Base1)/4;

cout << "[" << s << "] Base2::_vptr->"<<endl;

pFun = (Fun)pVtab[s][0];

cout << " [0] "; pFun();

Fun = (Fun)pVtab[s][1];

cout << " [1] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][2];

cout << " [2] ";pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][3];

out << " [3] ";

cout<<pFun<<endl;

cout << "["<< s+1 <<"] Base2.ibase2 = " << (int)pVtab[s+1] << endl;

s = s + sizeof(Base2)/4;

cout << "[" << s << "] Base3::_vptr->"<<endl;

pFun = (Fun)pVtab[s][0];

cout << " [0] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][1];

cout << " [1] ";pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][2];

cout << " [2] ";pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][3];

cout << " [3] ";

cout<<pFun<<endl;

s++;

cout << "["<< s <<"] Base3.ibase3 = " << (int)pVtab[s] << endl;

s++;

cout << "["<< s <<"] Derive.iderive = " << (int)pVtab[s] << endl;

其運(yùn)行結(jié)果如下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）

[0] Base1::_vptr->

[0] Derive::f()

[1] Base1::g()

[2] Base1::h()

[3] Driver::g1()

[4] 00000000 ç注意：在GCC下，這里是1

[1] Base1.ibase1 = 10

[2] Base2::_vptr->

[0] Derive::f()

[1] Base2::g()

[2] Base2::h()

[3] 00000000 ç注意：在GCC下，這里是1

[3] Base2.ibase2 = 20

[4] Base3::_vptr->

[0] Derive::f()

[1] Base3::g()

[2] Base3::h()

[3] 00000000

[5] Base3.ibase3 = 30

[6] Derive.iderive = 100

使用圖片表示是下面這個(gè)樣子：

我們可以看到：

1）每個(gè)父類都有自己的虛表。

2）子類的成員函數(shù)被放到了第一個(gè)父類的表中。

3）內(nèi)存布局中，其父類布局依次按聲明順序排列。

4）每個(gè)父類的虛表中的f()函數(shù)都被overwrite成了子類的f()。這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個(gè)子類實(shí)例，而能夠調(diào)用到實(shí)際的函數(shù)。

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posted on 2009-05-15 19:16 Frank_Fang 閱讀(281) 評論(0) 編輯收藏所屬分類: C++編程

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