C++对象模型之简述C++对象的内存分布

class Person
{
    public:
        Person():mId(0), mAge(20){}
        void print()
        {
            cout << "id: " << mId
                 << ", age: " << mAge << endl;
        }
    private:
        int mId;
        int mAge;
}; 

int main()
{
    Person p1;
    cout << "sizeof(p1) == " << sizeof(p1) << endl;
    int *p = (int*)&p1;
    cout << "p.id == " << *p << ", address: "  << p << endl;
    ++p;
    cout << "p.age == " << *p << ", address: " << p << endl;
    cout << endl;
    
    Person p2;
    cout << "sizeof(p2) == " << sizeof(p1) << endl;
    p = (int*)&p2;
    cout << "p.id == " << *p << ", address: " << p << endl;
    ++p;
    cout << "p.age == " << *p << ", address: " << p << endl;
    return 0;
} 

其运行结果如下：

 

从上图可以看到类的对象的占用的内存均为8字节，使用普通的int＊指针可以遍历输出对象内的非static成员变量的值，且两个对象中的相同的非static成员变量的地址各不相同。

据此，可以得出结论，在C++中，非static成员变量被放置于每一个类对象中，非static成员函数放在类的对象之外，且非static成员变量在内存中的存放顺序与其在类内的声明顺序一致。即person对象的内存分布如下图所示：

class Person
{
     public:
         Person():mId(0), mAge(20){ ++sCount; }
         ~Person(){ --sCount; }
         void print()
         {
             cout << "id: " << mId
                  << ", age: " << mAge << endl;
         }
         static int personCount()
         {
             return sCount;
         }
     private:
         static int sCount;
         int mId;
         int mAge;
}; 

据此，可以得出：static成员变量存放在类的对象之外，static成员函数也放在类的对象之外。

其内存分布如下图所示：

int main()
{
    Person person;
    cout << sizeof(person) << endl;
    int *p = (int*)&person;
    for (int i = 0; i < sizeof(person) / sizeof(int); ++i, ++p)
    {
        cout << *p << endl;
    }
    return 0;
} 

其运行结果如下：

从上图可以看出，加virtual成员函数后，类的对象的大小为16字节，增加了8。通过int＊指针遍历该对象的内存，可以看到，最后两行显示的是成员数据的值。

C++中的虚函数是通过虚函数表（vtbl）来实现，每一个类为每一个virtual函数产生一个指针，放在表格中，这个表格就是虚函数表。每一个类对象会被安插一个指针（vptr），指向该类的虚函数表。vptr的设定和重置都由每一个类的构造函数、析构函数和复制赋值运算符自动完成。

由于本人的系统是64位的系统，一个指针的大小为8字节，所以可以推出，在本人的环境中，类的对象的安插的vptr放在该对象所占内存的最前面。其内存分布图如下：

注：虚函数的顺序是按虚函数定义顺序定义的，但是它还包含其他的一些字段，本人还未明白它是什么，在下一节会详细说明虚函数表的内容。

4、虚函数表（vtbl）的内容及函数指针存放顺序

在第3节中，我们可以知道了指向虚函数表的指针（vptr）在类中的位置了，而函数表中的数据都是函数指针，于是便可利用这点来遍历虚函数表，并测试出虚函数表中的内容。

测试代码如下：

typedef void (*FuncPtr)();
int main()
{
    Person person;
    int **vtbl = (int**)*(int**)&person;
    for (int i = 0; i < 3 && *vtbl != NULL; ++i)
    {
        FuncPtr func = (FuncPtr)*vtbl;
        func();
        ++vtbl;
    }

    while (*vtbl)
    {
        cout << "*vtbl == " << *vtbl << endl;
        ++vtbl;
    }
    return 0;
}

代码解释：
由于虚函数表位于对象的首位置上，且虚函数表保存的是函数的指针，若把虚函数表当作一个数组，则要指向该数组需要一个双指针。我们可以通过如下方式获取Person类的对象的地址，并转化成int**指针：

Person person;
int **p = (int**)&person;

再通过如下的表达式，获取虚函数表的地址：

 

int **vtbl = (int**)*p;

然后，通过如下语句获得虚函数表中函数的地址，并调用函数。

FuncPtr func = (FuncPtr)*vtbl;
func();

最后，通过++vtbl可以得到函数表中下一项地址，从而遍历整个虚函数表。

其运行结果如下图所示：

从上图可以看出，遍历虚函数表，并根据虚函数表中的函数地址调用函数，它先调用print函数，再调用job函数，最后调用析构函数。函数的调用顺序与Person类中的虚函数的定义顺序一致，其内存分布与第3节中的对象内存分布图相一致。从代码和运行结果，可以看出，虚函数表以NULL标志表的结束。但是虚函数表中还含有其他的数据，本人还没有清楚其作用。

5、继承对于类的对象的内存分布的影响

本文并不打算详细地介绍继承对对象的内存分布的影响，也不介绍虚函数的实现机制。这里主要给出一个经过本人测试的大概的对象内存模型，由于代码较多，不一一贴出。假设所有的类都有非static的成员变量和成员函数、static的成员变量及成员函数和virtual函数。

1）单继承（只有一个父类）
类的继承关系为：class Derived : public Base

Derived类的对象的内存布局为：虚函数表指针、Base类的非static成员变量、Derived类的非static成员变量。

2）多重继承（多个父类）
类的继承关系如下：class Derived : public Base1, public Base2

Derived类的对象的内存布局为：基类Base1子对象和基类Base2子对象及Derived类的非static成员变量组成。基类子对象包括其虚函数表指针和其非static的成员变量。

3）重复继承（继承的多个父类中其父类有相同的超类）

类的继承关系如下：

class Base1 : public Base

class Base2:  public Base

class Derived : public Base1, public Base2

Derived类的对象的内存布局与多继承相似，但是可以看到基类Base的子对象在Derived类的对象的内存中存在一份拷贝。这样直接使用Derived中基类Base的相关成员时，就会引发歧义，可使用多重虚拟继承消除之。

4）多重虚拟继承（使用virtual方式继承，为了保证继承后父类的内存布局只会存在一份）

类的继承关系如下：
class Base1 : virtual public Base
class Base2:  virtual public Base
class Derived : public Base1, public Base2

Derived类的对象的内存布局与重复继承的类的对象的内存分布类似，但是基类Base的子对象没有拷贝一份，在对象的内存中仅存在在一个Base类的子对象。但是它的非static成员变量放置在对象的末尾处。