c++對(duì)象內(nèi)存布局示例詳解

更新時(shí)間：2021年10月24日 14:40:49 作者：高性能架構(gòu)探索

C++類(lèi)的內(nèi)存布局跟結(jié)構(gòu)體有點(diǎn)像,實(shí)際上,類(lèi)中成員變量的內(nèi)存布局規(guī)則跟結(jié)構(gòu)體是一樣的,區(qū)別在于函數(shù),虛函數(shù)的放置,下面這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于c++對(duì)象內(nèi)存布局的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

前言

了解你所使用的編程語(yǔ)言究竟是如何實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于C++程序員可能特別有意義。首先，它可以去除我們對(duì)于所使用語(yǔ)言的神秘感，使我們不至于對(duì)于編譯器干的活感到完全不可思議；尤其重要的是，它使我們?cè)贒ebug和使用語(yǔ)言高級(jí)特性的時(shí)候，有更多的把握。當(dāng)需要提高代碼效率的時(shí)候，這些知識(shí)也能夠很好地幫助我們。

簡(jiǎn)單非多態(tài)的內(nèi)存布局

class X {
    int     x;
    float   xx;

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

只有數(shù)據(jù)成員存儲(chǔ)在堆棧中，且其聲明順序或者存儲(chǔ)順序的行為與編譯器強(qiáng)相關(guān)
所有其他方法（構(gòu)造函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)和編譯器擴(kuò)展代碼）都進(jìn)存儲(chǔ)在文本段。然后，這些方法將被調(diào)用并隱式地在調(diào)用對(duì)象的第一個(gè)參數(shù)中傳遞該指針。

this指針是一個(gè)隱含于每一個(gè)成員函數(shù)中的特殊指針。它是一個(gè)指向正在被該成員函數(shù)操作的對(duì)象，也就是要操作該成員函數(shù)的對(duì)象。this作用域是在類(lèi)內(nèi)部，當(dāng)對(duì)一個(gè)對(duì)象調(diào)用成員函數(shù)時(shí)，編譯程序先將對(duì)象的地址賦給this指針，編譯器會(huì)自動(dòng)將對(duì)象本身的地址作為一個(gè)隱含參數(shù)傳遞給函數(shù)。也就是說(shuō)，即使你沒(méi)有寫(xiě)this指針，編譯器在編譯的時(shí)候也是加上this的，它作為非靜態(tài)成員函數(shù)的隱含形參。被調(diào)用的成員函數(shù)函數(shù)體內(nèi)所有對(duì)類(lèi)成員的訪問(wèn)，都會(huì)被轉(zhuǎn)化為“this->類(lèi)成員”的方式。

針對(duì)第二點(diǎn)，我們類(lèi)似于：

A x;
x.printInt();

其中，X::printInt()這個(gè)行為，在編譯器中，將處理為

printInt(const X* this)

那么，x.printInt()調(diào)用處理將最終成為

printInt(&x);

同時(shí)具有虛函數(shù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的內(nèi)存布局

class X {
    int         x;
    float       xx;
    static int  count;

public:
    X() {}
    virtual ~X() {}

    virtual void printAll() {}
    void printInt() {}
    void printFloat() {}
    static void printCount() {}
};

其內(nèi)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() |
      |------------------------|
      |                        |

所有非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員都按照聲明的順序?qū)⒖臻g放入堆棧中，與前面的示例順序相同。
靜態(tài)數(shù)據(jù)成員將空間放入內(nèi)存的數(shù)據(jù)段中。使用范圍解析運(yùn)算符（即：:)進(jìn)行的訪問(wèn)。但是在編譯之后，就沒(méi)有像作用域和名稱(chēng)空間那樣的東西了。因?yàn)?，它的名稱(chēng)只是由編譯器執(zhí)行，所以所有內(nèi)容都由其絕對(duì)或相對(duì)地址引用。
靜態(tài)數(shù)據(jù)成員將空間放入內(nèi)存的數(shù)據(jù)段中。使用范圍解析運(yùn)算符（即：:)進(jìn)行的訪問(wèn)。
靜態(tài)方法進(jìn)入文本段，并通過(guò)作用域解析運(yùn)算符進(jìn)行調(diào)用。
對(duì)于virtual關(guān)鍵字，編譯器會(huì)自動(dòng)將指向虛擬表的指針（vptr）插入對(duì)象內(nèi)存表示中。通常，虛擬表是在數(shù)據(jù)段中為每個(gè)類(lèi)靜態(tài)創(chuàng)建的，但它也取決于編譯器的實(shí)現(xiàn)。
在虛擬表中，第一個(gè)條目指向type_info對(duì)象，該對(duì)象包含與當(dāng)前基類(lèi)和其他基類(lèi)的DAG（有向無(wú)環(huán)圖）相關(guān)的信息（如果從這些基類(lèi)派生的信息）。

繼承對(duì)象的內(nèi)存布局

class X {
    int     x;
    string str;

public:
    X() {}
    virtual ~X() {}

    virtual void printAll() {}
};

class Y : public X {
    int     y;

public:
    Y() {}
    ~Y() {}

    void printAll() {}
};

其內(nèi)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              |
      |                              |

在繼承模型中，基類(lèi)和數(shù)據(jù)成員類(lèi)是派生類(lèi)的子對(duì)象。
編譯器會(huì)在類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)中生成具有所有重寫(xiě)的虛擬功能和為_(kāi)vptr分配虛擬表的代碼的虛擬表。

具有多重繼承和虛擬功能的對(duì)象的內(nèi)存布局

class X {
public:
    int     x;
    
    virtual ~X() {}
    virtual void printX() {}
};

class Y {
public:
    int     y;
    
    virtual ~Y() {}
    virtual void printY() {}
};

class Z : public X, public Y {
public:
    int     z;
    
    ~Z() {}
    void printX() {}
    void printY() {}
    void printZ() {}
};

內(nèi)存布局如下

      |                              |          
      |------------------------------| <------ Z class object memory layout
stack |          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              |                
      |                              |

在多繼承層次結(jié)構(gòu)中，創(chuàng)建的虛擬表指針（vptr）的確切數(shù)目將為N-1，其中N代表類(lèi)的數(shù)目。

如果嘗試使用任何基類(lèi)指針調(diào)用Z類(lèi)的方法，則它將使用相應(yīng)的虛擬表進(jìn)行調(diào)用。如下例子所示：

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

在上面的代碼中，y_ptr將指向完整Z對(duì)象內(nèi)類(lèi)Y的子對(duì)象。

結(jié)果，調(diào)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 )

虛繼承內(nèi)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 layout
sub-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       |                |             |------------------|