關于C++對象繼承中的內存布局示例詳解

2020-01-26 13:58:50

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供稿：網友

前言

本文給大家介紹的是關于C++對象繼承的內存布局的相關內容，分享出來供大家參考學習，在開始之前說明下，關于單繼承和多繼承的簡單概念可參考此文章

以下編譯環境均為：WIN32+VS2015

虛函數表

對C++ 了解的人都應該知道虛函數（Virtual Function）是通過一張虛函數表（Virtual Table）來實現的。簡稱為V-Table。在這個表中，主是要一個類的虛函數的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問題，保證其容真實反應實際的函數。

首先先通過一個例子來引入虛函數表，假如現在有三個類如下：

class A //包含虛函數的類{public: virtual void func1() {} virtual void func2() {}};class B//空類{};class C //包含成員函數不包含成員變量的類{ void fun() {}};void Test1(){ cout << sizeof(A) << endl; cout << sizeof(B) << endl; cout << sizeof(C) << endl;}

就上述的代碼，將會分別輸出4，1，1

造成A的大小為4的原因就是：在A中存放了一個指向A類的虛函數表的指針。而32位下一個指針大小為4字節，所以就為4。

A類實例化后在內存中對應如下：

注：在虛函數表中用0來結尾。

通過內存中的顯示我們就能知道編譯器應該將虛函數表的指針存在于對象實例中最前面的位置，所以可以&a轉成int*，取得虛函數表的地址，再強轉成（int*）方便接下來可以每次只訪問四個字節大?。ㄌ摵瘮当砜煽醋鍪且粋€函數指針數組，由于32位下指針是4字節，所以轉為（int*））。將取得的int*指針傳給下面的打印虛函數表的函數，就能夠打印出對應的地址信息。

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

接下來就來分析各種繼承關系中對應的內存模型以及虛函數表

單繼承（無虛函數覆蓋）

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);}

將內存中的顯示和我們寫的顯示虛函數表對應起來如下：

小結：

1）虛函數按照其聲明順序放于表中。

2）父類的虛函數在子類的虛函數前面。（由于子類單繼承父類，直接使用父類的虛函數表）

一般繼承（成員變量+虛函數覆蓋）

在上面例子進行稍微修改，使得子類中有對父類虛函數的覆蓋，進行和之前同樣的測試：

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：

1）覆蓋的func()函數被放到了虛表中原來父類虛函數的位置。

2）沒有被覆蓋的函數依舊。

多重繼承（成員變量+虛函數覆蓋）

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;};

再次調試觀察：

小結：

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

菱形繼承（成員變量 + 虛函數覆蓋）

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律，按照總結的一步步分析，就可以最終得到D的虛函數表。

由于子類B繼承父類A，所以B與A公用一個虛函數表，又因為B是D多繼承中的第一個繼承的類，所以B，D共用一個虛函數表。

菱形的虛擬繼承（成員變量 + 虛函數覆蓋）

參考下面這個例子：

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個虛函數地址 :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的虛函數表 int* VTable = (int*)(*(int*)&d); PrintVTable(VTable); //打印C的虛函數表 VTable = (int*)*(int*)((char*)&d + sizeof(B)-sizeof(A));  PrintVTable(VTable); //打印A的虛函數表 VTable = (int*)*(int*)((char*)&d + sizeof(B)+sizeof(C)-2*sizeof(A)+4);  PrintVTable(VTable);}

接下來就慢慢分析：

1）先通過調試查看內存中是如何分配的，并和我們打印出的虛函數表對應起來：