圖說C++對象模型：對象內存布局詳解

0.前言

文章較長，而且內容相對來說比較枯燥，希望對C++對象的內存布局、虛表指針、虛基類指針等有深入了解的朋友可以慢慢看。
本文的結論都在VS2013上得到驗證。不同的編譯器在內存布局的細節上可能有所不同。
文章如果有解釋不清、解釋不通或疏漏的地方，懇請指出。

1.何為C++對象模型?

引用《深度探索C++對象模型》這本書中的話：

有兩個概念可以解釋C++對象模型：

1. 語言中直接支持面向對象程序設計的部分。
2. 對於各種支持的底層實現機制。

直接支持面向對象程序設計，包括了構造函數、析構函數、多態、虛函數等等，這些內容在很多書籍上都有討論，也是C++最被人熟知的地方（特性）。而對象模型的底層實現機制卻是很少有書籍討論的。對象模型的底層實現機制並未標准化，不同的編譯器有一定的自由來設計對象模型的實現細節。在我看來，對象模型研究的是對象在存儲上的空間與時間上的更優，並對C++面向對象技術加以支持，如以虛指針、虛表機制支持多態特性。

2.文章內容簡介

這篇文章主要來討論C++對象在內存中的布局，屬於第二個概念的研究范疇。而C++直接支持面向對象程序設計部分則不多講。文章主要內容如下：

• 虛函數表解析。含有虛函數或其父類含有虛函數的類，編譯器都會為其添加一個虛函數表,vptr，先了解虛函數表的構成，有助對C++對象模型的理解。
• 虛基類表解析。虛繼承產生虛基類表(vbptr)，虛基類表的內容與虛函數表完全不同，我們將在講解虛繼承時介紹虛函數表。
• 對象模型概述：介紹簡單對象模型、表格驅動對象模型，以及非繼承情況下的C++對象模型。
• 繼承下的C++對象模型。分析C++類對象在下面情形中的內存布局：
  1. 單繼承：子類單一繼承自父類，分析了子類重寫父類虛函數、子類定義了新的虛函數情況下子類對象內存布局。
  2. 多繼承：子類繼承於多個父類，分析了子類重寫父類虛函數、子類定義了新的虛函數情況下子類對象內存布局，同時分析了非虛繼承下的菱形繼承。
  3. 虛繼承：分析了單一繼承下的虛繼承、多重基層下的虛繼承、重復繼承下的虛繼承。
• 理解對象的內存布局之后，我們可以分析一些問題：
  1. C++封裝帶來的布局成本是多大？
  2. 由空類組成的繼承層次中，每個類對象的大小是多大？

至於其他與內存有關的知識，我假設大家都有一定的了解，如內存對齊，指針操作等。本文初看可能晦澀難懂，要求讀者有一定的C++基礎，對概念一有一定的掌握。

3.理解虛函數表

3.1.多態與虛表

C++中虛函數的作用主要是為了實現多態機制。多態，簡單來說，是指在繼承層次中，父類的指針可以具有多種形態——當它指向某個子類對象時，通過它能夠調用到子類的函數，而非父類的函數。

class Base {     virtual void print(void);    }
class Drive1 :public Base{    virtual void print(void);    }
class Drive2 :public Base{    virtual void print(void);    }

Base * ptr1 = new Base; 
Base * ptr2 = new Drive1;  
Base * ptr3 = new Drive2;

ptr1->print(); //調用Base::print()
prt2->print();//調用Drive1::print()
prt3->print();//調用Drive2::print()

這是一種運行期多態，即父類指針唯有在程序運行時才能知道所指的真正類型是什么。這種運行期決議，是通過虛函數表來實現的。

3.2.使用指針訪問虛表

如果我們豐富我們的Base類,使其擁有多個virtual函數：

class Base
{
public:
 
    Base(int i) :baseI(i){};

    virtual void print(void){ cout << "調用了虛函數Base::print()"; }

    virtual void setI(){cout<<"調用了虛函數Base::setI()";}

    virtual ~Base(){}
 
private:
 
    int baseI;

};

當一個類本身定義了虛函數，或其父類有虛函數時，為了支持多態機制，編譯器將為該類添加一個虛函數指針（vptr）。虛函數指針一般都放在對象內存布局的第一個位置上，這是為了保證在多層繼承或多重繼承的情況下能以最高效率取到虛函數表。

當vprt位於對象內存最前面時，對象的地址即為虛函數指針地址。我們可以取得虛函數指針的地址：

Base b(1000);
int * vptrAdree = (int *)(&b);  
cout << "虛函數指針（vprt）的地址是：\t"<<vptrAdree << endl;

我們運行代碼出結果：

我們強行把類對象的地址轉換為 int* 類型，取得了虛函數指針的地址。虛函數指針指向虛函數表,虛函數表中存儲的是一系列虛函數的地址，虛函數地址出現的順序與類中虛函數聲明的順序一致。對虛函數指針地址值，可以得到虛函數表的地址，也即是虛函數表第一個虛函數的地址:

    typedef void(*Fun)(void);
    Fun vfunc = (Fun)*( (int *)*(int*)(&b));
    cout << "第一個虛函數的地址是：" << (int *)*(int*)(&b) << endl;
    cout << "通過地址，調用虛函數Base::print()：";
    vfunc();

• 我們把虛表指針的值取出來： ＊(int＊)(&b)，它是一個地址，虛函數表的地址
• 把虛函數表的地址強制轉換成 int* : ( int ＊) ＊( int＊ )( &b )
• 再把它轉化成我們Fun指針類型 ： (Fun )＊(int ＊)＊(int＊)(&b)

這樣，我們就取得了類中的第一個虛函數，我們可以通過函數指針訪問它。
運行結果：

同理,第二個虛函數setI()的地址為：

 (int * )(*(int*)(&b)+1)

同樣可以通過函數指針訪問它，這里留給讀者自己試驗。

到目前為止，我們知道了類中虛表指針vprt的由來，知道了虛函數表中的內容，以及如何通過指針訪問虛函數表。下面的文章中將常使用指針訪問對象內存來驗證我們的C++對象模型，以及討論在各種繼承情況下虛表指針的變化，先把這部分的內容消化完再接着看下面的內容。

4.對象模型概述

在C++中，有兩種數據成員（class data members）：static 和nonstatic,以及三種類成員函數（class member functions）:static、nonstatic和virtual:

現在我們有一個類Base，它包含了上面這5中類型的數據或函數：

class Base
{
public:
 
    Base(int i) :baseI(i){};
  
    int getI(){ return baseI; }
 
    static void countI(){};
 
    virtual ~Base(){}

    virtual void print(void){ cout << "Base::print()"; }

    
 
private:
 
    int baseI;
 
    static int baseS;
};

那么，這個類在內存中將被如何表示？5種數據都是連續存放的嗎？如何布局才能支持C++多態？ 我們的C++標准與編譯器將如何塑造出各種數據成員與成員函數呢？

4.1.簡單對象模型

說明：在下面出現的圖中，用藍色邊框框起來的內容在內存上是連續的。
這個模型非常地簡單粗暴。在該模型下，對象由一系列的指針組成，每一個指針都指向一個數據成員或成員函數，也即是說，每個數據成員和成員函數在類中所占的大小是相同的，都為一個指針的大小。這樣有個好處——很容易算出對象的大小，不過賠上的是空間和執行期效率。想象一下，如果我們的Point3d類是這種模型，將會比C語言的struct多了許多空間來存放指向函數的指針，而且每次讀取類的數據成員，都需要通過再一次尋址——又是時間上的消耗。
所以這種對象模型並沒有被用於實際產品上。

4.2.表格驅動模型

這個模型在簡單對象模型的基礎上又添加一個間接層，它把類中的數據分成了兩個部分：數據部分與函數部分，並使用兩張表格，一張存放數據本身，一張存放函數的地址（也即函數比成員多一次尋址），而類對象僅僅含有兩個指針，分別指向上面這兩個表。這樣看來，對象的大小是固定為兩個指針大小。這個模型也沒有用於實際應用於真正的C++編譯器上。

4.3.非繼承下的C++對象模型

概述：在此模型下，nonstatic 數據成員被置於每一個類對象中，而static數據成員被置於類對象之外。static與nonstatic函數也都放在類對象之外，而對於virtual 函數，則通過虛函數表+虛指針來支持，具體如下：

• 每個類生成一個表格，稱為虛表（virtual table，簡稱vtbl）。虛表中存放着一堆指針，這些指針指向該類每一個虛函數。虛表中的函數地址將按聲明時的順序排列，不過當子類有多個重載函數時例外，后面會討論。
• 每個類對象都擁有一個虛表指針(vptr)，由編譯器為其生成。虛表指針的設定與重置皆由類的復制控制（也即是構造函數、析構函數、賦值操作符）來完成。vptr的位置為編譯器決定，傳統上它被放在所有顯示聲明的成員之后，不過現在許多編譯器把vptr放在一個類對象的最前端。關於數據成員布局的內容，在后面會詳細分析。
  另外，虛函數表的前面設置了一個指向type_info的指針，用以支持RTTI（Run Time Type Identification，運行時類型識別）。RTTI是為多態而生成的信息，包括對象繼承關系，對象本身的描述等，只有具有虛函數的對象在會生成。

在此模型下，Base的對象模型如圖：

先在VS上驗證類對象的布局：

Base b(1000);

可見對象b含有一個vfptr，即vprt。並且只有nonstatic數據成員被放置於對象內。我們展開vfprt：

vfptr中有兩個指針類型的數據（地址），第一個指向了Base類的析構函數，第二個指向了Base的虛函數print，順序與聲明順序相同。
這與上述的C++對象模型相符合。也可以通過代碼來進行驗證：

void testBase( Base&p)
{
    cout << "對象的內存起始地址：" << &p << endl;
    cout << "type_info信息:" << endl;
    RTTICompleteObjectLocator str = *((RTTICompleteObjectLocator*)*((int*)*(int*)(&p) - 1));
 
 
    string classname(str.pTypeDescriptor->name);
    classname = classname.substr(4, classname.find("@@") - 4);
    cout <<  "根據type_info信息輸出類名:"<< classname << endl;
 
    cout << "虛函數表地址:" << (int *)(&p) << endl;
 
    //驗證虛表
    cout << "虛函數表第一個函數的地址：" << (int *)*((int*)(&p)) << endl;
    cout << "析構函數的地址:" << (int* )*(int *)*((int*)(&p)) << endl;
    cout << "虛函數表中，第二個虛函數即print（）的地址：" << ((int*)*(int*)(&p) + 1) << endl;
 
    //通過地址調用虛函數print（）
    typedef void(*Fun)(void);
    Fun IsPrint=(Fun)* ((int*)*(int*)(&p) + 1);
    cout << endl;
    cout<<"調用了虛函數"；
    IsPrint(); //若地址正確，則調用了Base類的虛函數print（）
    cout << endl;
 
    //輸入static函數的地址
    p.countI();//先調用函數以產生一個實例
    cout << "static函數countI()的地址：" << p.countI << endl;
 
    //驗證nonstatic數據成員
    cout << "推測nonstatic數據成員baseI的地址：" << (int *)(&p) + 1 << endl;
    cout << "根據推測出的地址，輸出該地址的值：" << *((int *)(&p) + 1) << endl;
    cout << "Base::getI():" << p.getI() << endl;
 
}

Base b(1000);
testBase(b);

結果分析：

• 通過 (int *)(&p)取得虛函數表的地址
• type_info信息的確存在於虛表的前一個位置。通過((int)(int*)(&p) - 1))取得type_infn信息，並成功獲得類的名稱的Base
• 虛函數表的第一個函數是析構函數。
• 虛函數表的第二個函數是虛函數print()，取得地址后通過地址調用它（而非通過對象），驗證正確
• 虛表指針的下一個位置為nonstatic數據成員baseI。
• 可以看到，static成員函數的地址段位與虛表指針、baseI的地址段位不同。

好的，至此我們了解了非繼承下類對象五種數據在內存上的布局，也知道了在每一個虛函數表前都有一個指針指向type_info，負責對RTTI的支持。而加入繼承后類對象在內存中該如何表示呢？

5.繼承下的C++對象模型

5.1.單繼承

如果我們定義了派生類

class Derive : public Base
{
public:
    Derive(int d) :Base(1000),      DeriveI(d){};
    //overwrite父類虛函數
    virtual void print(void){ cout << "Drive::Drive_print()" ; }
    // Derive聲明的新的虛函數
        virtual void Drive_print(){ cout << "Drive::Drive_print()" ; }
    virtual ~Derive(){}
private:
    int DeriveI;
};

繼承類圖為：

一個派生類如何在機器層面上塑造其父類的實例呢？在簡單對象模型中，可以在子類對象中為每個基類子對象分配一個指針。如下圖：

簡單對象模型的缺點就是因間接性導致的空間存取時間上的額外負擔，優點則是類的大小是固定的，基類的改動不會影響子類對象的大小。

在表格驅動對象模型中，我們可以為子類對象增加第三個指針：基類指針(bptr)，基類指針指向指向一個基類表(base class table),同樣的，由於間接性導致了空間和存取時間上的額外負擔，優點則是無須改變子類對象本身就可以更改基類。表格驅動模型的圖就不再貼出來了。

在C++對象模型中，對於一般繼承（這個一般是相對於虛擬繼承而言），若子類重寫（overwrite）了父類的虛函數，則子類虛函數將覆蓋虛表中對應的父類虛函數(注意子類與父類擁有各自的一個虛函數表)；若子類並無overwrite父類虛函數，而是聲明了自己新的虛函數，則該虛函數地址將擴充到虛函數表最后（在vs中無法通過監視看到擴充的結果，不過我們通過取地址的方法可以做到，子類新的虛函數確實在父類子物體的虛函數表末端）。而對於虛繼承，若子類overwrite父類虛函數，同樣地將覆蓋父類子物體中的虛函數表對應位置，而若子類聲明了自己新的虛函數，則編譯器將為子類增加一個新的虛表指針vptr，這與一般繼承不同,在后面再討論。

我們使用代碼來驗證以上模型

typedef void(*Fun)(void);
 
int main()
{
    Derive d(2000);
    //[0]
    cout << "[0]Base::vptr";
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) << endl;
        //vprt[0]
        cout << "  [0]";
        Fun fun1 = (Fun)*((int *)*((int *)(&d)));
        fun1();
        cout << "\t地址:\t" << *((int *)*((int *)(&d))) << endl;
 
        //vprt[1]析構函數無法通過地址調用，故手動輸出
        cout << "  [1]" << "Derive::~Derive" << endl;
 
        //vprt[2]
        cout << "  [2]";
        Fun fun2 = (Fun)*((int *)*((int *)(&d)) + 2);
        fun2();
        cout << "\t地址:\t" << *((int *)*((int *)(&d)) + 2) << endl;
    //[1]
    cout << "[2]Base::baseI=" << *(int*)((int *)(&d) + 1);
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) + 1;
    cout << endl;
    //[2]
    cout << "[2]Derive::DeriveI=" << *(int*)((int *)(&d) + 2);
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) + 2;
    cout << endl;
    getchar();
}

運行結果：

這個結果與我們的對象模型符合。

5.2.多繼承

5.2.1一般的多重繼承（非菱形繼承）

單繼承中（一般繼承），子類會擴展父類的虛函數表。在多繼承中，子類含有多個父類的子對象，該往哪個父類的虛函數表擴展呢？當子類overwrite了父類的函數，需要覆蓋多個父類的虛函數表嗎？

• 子類的虛函數被放在聲明的第一個基類的虛函數表中。
• overwrite時，所有基類的print()函數都被子類的print()函數覆蓋。
• 內存布局中，父類按照其聲明順序排列。

其中第二點保證了父類指針指向子類對象時，總是能夠調用到真正的函數。

為了方便查看，我們把代碼都粘貼過來

class Base
{
public:
 
    Base(int i) :baseI(i){};
    virtual ~Base(){}
 
    int getI(){ return baseI; }
 
    static void countI(){};
 
    virtual void print(void){ cout << "Base::print()"; }
 
private:
 
    int baseI;
 
    static int baseS;
};
class Base_2
{
public:
    Base_2(int i) :base2I(i){};

    virtual ~Base_2(){}

    int getI(){ return base2I; }

    static void countI(){};

    virtual void print(void){ cout << "Base_2::print()"; }
 
private:
 
    int base2I;
 
    static int base2S;
};
 
class Drive_multyBase :public Base, public Base_2
{
public:

    Drive_multyBase(int d) :Base(1000), Base_2(2000) ,Drive_multyBaseI(d){};
 
    virtual void print(void){ cout << "Drive_multyBase::print" ; }
 
    virtual void Drive_print(){ cout << "Drive_multyBase::Drive_print" ; }
 
private:
    int Drive_multyBaseI;
};

繼承類圖為：

此時Drive_multyBase 的對象模型是這樣的：

我們使用代碼驗證：

typedef void(*Fun)(void);
 
int main()
{
    Drive_multyBase d(3000);
    //[0]
    cout << "[0]Base::vptr";
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) << endl;
 
        //vprt[0]析構函數無法通過地址調用，故手動輸出
        cout << "  [0]" << "Derive::~Derive" << endl;
 
        //vprt[1]
        cout << "  [1]";
        Fun fun1 = (Fun)*((int *)*((int *)(&d))+1);
        fun1();
        cout << "\t地址:\t" << *((int *)*((int *)(&d))+1) << endl;
 
 
        //vprt[2]
        cout << "  [2]";
        Fun fun2 = (Fun)*((int *)*((int *)(&d)) + 2);
        fun2();
        cout << "\t地址:\t" << *((int *)*((int *)(&d)) + 2) << endl;
 
 
    //[1]
    cout << "[1]Base::baseI=" << *(int*)((int *)(&d) + 1);
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) + 1;
    cout << endl;
 
 
    //[2]
    cout << "[2]Base_::vptr";
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d)+2 << endl;
 
        //vprt[0]析構函數無法通過地址調用，故手動輸出
        cout << "  [0]" << "Drive_multyBase::~Derive" << endl;
 
        //vprt[1]
        cout << "  [1]";
        Fun fun4 = (Fun)*((int *)*((int *)(&d))+1);
        fun4();
        cout << "\t地址:\t" << *((int *)*((int *)(&d))+1) << endl;
 
    //[3]
    cout << "[3]Base_2::base2I=" << *(int*)((int *)(&d) + 3);
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) + 3;
    cout << endl;
 
    //[4]
    cout << "[4]Drive_multyBase::Drive_multyBaseI=" << *(int*)((int *)(&d) + 4);
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) + 4;
    cout << endl;
 
    getchar();
}

運行結果：

5.2.2 菱形繼承

菱形繼承也稱為鑽石型繼承或重復繼承，它指的是基類被某個派生類簡單重復繼承了多次。這樣，派生類對象中擁有多份基類實例（這會帶來一些問題）。為了方便敘述，我們不使用上面的代碼了，而重新寫一個重復繼承的繼承層次：

class B
 
{
 
public:
 
    int ib;
 
public:
 
    B(int i=1) :ib(i){}
 
    virtual void f() { cout << "B::f()" << endl; }
 
    virtual void Bf() { cout << "B::Bf()" << endl; }
 
};
 
class B1 : public B
 
{
 
public:
 
    int ib1;
 
public:
 
    B1(int i = 100 ) :ib1(i) {}
 
    virtual void f() { cout << "B1::f()" << endl; }
 
    virtual void f1() { cout << "B1::f1()" << endl; }
 
    virtual void Bf1() { cout << "B1::Bf1()" << endl; }
 
 
 
};
 
class B2 : public B
 
{
 
public:
 
    int ib2;
 
public:
 
    B2(int i = 1000) :ib2(i) {}
 
    virtual void f() { cout << "B2::f()" << endl; }
 
    virtual void f2() { cout << "B2::f2()" << endl; }
 
    virtual void Bf2() { cout << "B2::Bf2()" << endl; }
 
};
 
 
class D : public B1, public B2
 
{
 
public:
 
    int id;
 
 
 
public:
 
    D(int i= 10000) :id(i){}
 
    virtual void f() { cout << "D::f()" << endl; }
 
    virtual void f1() { cout << "D::f1()" << endl; }
 
    virtual void f2() { cout << "D::f2()" << endl; }
 
    virtual void Df() { cout << "D::Df()" << endl; }
 
};

這時，根據單繼承，我們可以分析出B1，B2類繼承於B類時的內存布局。又根據一般多繼承，我們可以分析出D類的內存布局。我們可以得出D類子對象的內存布局如下圖：

D類對象內存布局中，圖中青色表示b1類子對象實例，黃色表示b2類子對象實例，灰色表示D類子對象實例。從圖中可以看到，由於D類間接繼承了B類兩次，導致D類對象中含有兩個B類的數據成員ib，一個屬於來源B1類，一個來源B2類。這樣不僅增大了空間，更重要的是引起了程序歧義：

D d;
 
d.ib =1 ;               //二義性錯誤,調用的是B1的ib還是B2的ib？
 
d.B1::ib = 1;           //正確
 
d.B2::ib = 1;           //正確

盡管我們可以通過明確指明調用路徑以消除二義性，但二義性的潛在性還沒有消除，我們可以通過虛繼承來使D類只擁有一個ib實體。

6.虛繼承

虛繼承解決了菱形繼承中最派生類擁有多個間接父類實例的情況。虛繼承的派生類的內存布局與普通繼承很多不同，主要體現在：

• 虛繼承的子類，如果本身定義了新的虛函數，則編譯器為其生成一個虛函數指針（vptr）以及一張虛函數表。該vptr位於對象內存最前面。
  • vs非虛繼承：直接擴展父類虛函數表。
• 虛繼承的子類也單獨保留了父類的vprt與虛函數表。這部分內容接與子類內容以一個四字節的0來分界。
• 虛繼承的子類對象中，含有四字節的虛表指針偏移值。

為了分析最后的菱形繼承，我們還是先從單虛繼承繼承開始。

6.1.虛基類表解析

在C++對象模型中，虛繼承而來的子類會生成一個隱藏的虛基類指針（vbptr），在Microsoft Visual C++中，虛基類表指針總是在虛函數表指針之后，因而，對某個類實例來說，如果它有虛基類指針，那么虛基類指針可能在實例的0字節偏移處（該類沒有vptr時，vbptr就處於類實例內存布局的最前面，否則vptr處於類實例內存布局的最前面），也可能在類實例的4字節偏移處。
一個類的虛基類指針指向的虛基類表，與虛函數表一樣，虛基類表也由多個條目組成，條目中存放的是偏移值。第一個條目存放虛基類表指針（vbptr）所在地址到該類內存首地址的偏移值，由第一段的分析我們知道，這個偏移值為0（類沒有vptr）或者-4（類有虛函數，此時有vptr）。我們通過一張圖來更好地理解。

虛基類表的第二、第三...個條目依次為該類的最左虛繼承父類、次左虛繼承父類...的內存地址相對於虛基類表指針的偏移值，這點我們在下面會驗證。

6.2.簡單虛繼承

如果我們的B1類虛繼承於B類：

//類的內容與前面相同
class B{...}
class B1 : virtual public B

根據我們前面對虛繼承的派生類的內存布局的分析，B1類的對象模型應該是這樣的：

我們通過指針訪問B1類對象的內存，以驗證上面的C++對象模型：

int main()
{
B1 a;
    cout <<"B1對象內存大小為："<< sizeof(a) << endl;
 
    //取得B1的虛函數表
    cout << "[0]B1::vptr";
    cout << "\t地址：" << (int *)(&a)<< endl;
 
    //輸出虛表B1::vptr中的函數
    for (int i = 0; i<2;++ i)
    {
        cout << "  [" << i << "]";
        Fun fun1 = (Fun)*((int *)*(int *)(&a) + i);
        fun1();
        cout << "\t地址：\t" << *((int *)*(int *)(&a) + i) << endl;
    }
 
    //[1]
    cout << "[1]vbptr "  ;
    cout<<"\t地址：" << (int *)(&a) + 1<<endl;  //虛表指針的地址
    //輸出虛基類指針條目所指的內容
    for (int i = 0; i < 2; i++)
    {
        cout << "  [" << i << "]";
 
        cout << *(int *)((int *)*((int *)(&a) + 1) + i);
 
        cout << endl;
    }
 
 
    //[2]
    cout << "[2]B1::ib1=" << *(int*)((int *)(&a) + 2);
    cout << "\t地址：" << (int *)(&a) + 2;
    cout << endl;
 
    //[3]
    cout << "[3]值=" << *(int*)((int *)(&a) + 3);
    cout << "\t\t地址：" << (int *)(&a) + 3;
    cout << endl;
 
    //[4]
    cout << "[4]B::vptr";
    cout << "\t地址：" << (int *)(&a) +3<< endl;
 
    //輸出B::vptr中的虛函數
    for (int i = 0; i<2; ++i)
    {
        cout << "  [" << i << "]";
        Fun fun1 = (Fun)*((int *)*((int *)(&a) + 4) + i);
        fun1();
        cout << "\t地址:\t" << *((int *)*((int *)(&a) + 4) + i) << endl;
    }
 
    //[5]
    cout << "[5]B::ib=" << *(int*)((int *)(&a) + 5);
    cout << "\t地址: " << (int *)(&a) + 5;
    cout << endl;

運行結果：

這個結果與我們的C++對象模型圖完全符合。這時我們可以來分析一下虛表指針的第二個條目值12的具體來源了，回憶上文講到的：

第二、第三...個條目依次為該類的最左虛繼承父類、次左虛繼承父類...的內存地址相對於虛基類表指針的偏移值。

在我們的例子中，也就是B類實例內存地址相對於vbptr的偏移值，也即是：[4]-[1]的偏移值，結果即為12，從地址上也可以計算出來：007CFDFC-007CFDF4結果的十進制數正是12。現在，我們對虛基類表的構成應該有了一個更好的理解。

6.3.虛擬菱形繼承

如果我們有如下繼承層次：

class B{...}
class B1: virtual public  B{...}
class B2: virtual public  B{...}
class D : public B1,public B2{...}

類圖如下所示：

菱形虛擬繼承下，最派生類D類的對象模型又有不同的構成了。在D類對象的內存構成上，有以下幾點：

• 在D類對象內存中，基類出現的順序是：先是B1（最左父類），然后是B2（次左父類），最后是B（虛祖父類）
• D類對象的數據成員id放在B類前面，兩部分數據依舊以0來分隔。
• 編譯器沒有為D類生成一個它自己的vptr，而是覆蓋並擴展了最左父類的虛基類表，與簡單繼承的對象模型相同。
• 超類B的內容放到了D類對象內存布局的最后。

菱形虛擬繼承下的C++對象模型為：

下面使用代碼加以驗證：

int main()
{
    D d;
    cout << "D對象內存大小為：" << sizeof(d) << endl;
 
    //取得B1的虛函數表
    cout << "[0]B1::vptr";
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) << endl;
 
    //輸出虛表B1::vptr中的函數
    for (int i = 0; i<3; ++i)
    {
        cout << "  [" << i << "]";
        Fun fun1 = (Fun)*((int *)*(int *)(&d) + i);
        fun1();
        cout << "\t地址：\t" << *((int *)*(int *)(&d) + i) << endl;
    }
 
    //[1]
    cout << "[1]B1::vbptr ";
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) + 1 << endl;  //虛表指針的地址
    //輸出虛基類指針條目所指的內容
    for (int i = 0; i < 2; i++)
    {
        cout << "  [" << i << "]";
 
        cout << *(int *)((int *)*((int *)(&d) + 1) + i);
 
        cout << endl;
    }
 
 
    //[2]
    cout << "[2]B1::ib1=" << *(int*)((int *)(&d) + 2);
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) + 2;
    cout << endl;
 
    //[3]
    cout << "[3]B2::vptr";
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) + 3 << endl;
 
    //輸出B2::vptr中的虛函數
    for (int i = 0; i<2; ++i)
    {
        cout << "  [" << i << "]";
        Fun fun1 = (Fun)*((int *)*((int *)(&d) + 3) + i);
        fun1();
        cout << "\t地址:\t" << *((int *)*((int *)(&d) + 3) + i) << endl;
    }
 
    //[4]
    cout << "[4]B2::vbptr ";
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) + 4 << endl;  //虛表指針的地址
    //輸出虛基類指針條目所指的內容
    for (int i = 0; i < 2; i++)
    {
        cout << "  [" << i << "]";
 
        cout << *(int *)((int *)*((int *)(&d) + 4) + i);
 
        cout << endl;
    }
 
    //[5]
    cout << "[5]B2::ib2=" << *(int*)((int *)(&d) + 5);
    cout << "\t地址: " << (int *)(&d) + 5;
    cout << endl;
 
    //[6]
    cout << "[6]D::id=" << *(int*)((int *)(&d) + 6);
    cout << "\t地址: " << (int *)(&d) + 6;
    cout << endl;
 
    //[7]
    cout << "[7]值=" << *(int*)((int *)(&d) + 7);
    cout << "\t\t地址：" << (int *)(&d) + 7;
    cout << endl;
 
    //間接父類
    //[8]
    cout << "[8]B::vptr";
    cout << "\t地址：" << (int *)(&d) + 8 << endl;
 
    //輸出B::vptr中的虛函數
    for (int i = 0; i<2; ++i)
    {
        cout << "  [" << i << "]";
        Fun fun1 = (Fun)*((int *)*((int *)(&d) + 8) + i);
        fun1();
        cout << "\t地址:\t" << *((int *)*((int *)(&d) + 8) + i) << endl;
    }
 
    //[9]
    cout << "[9]B::id=" << *(int*)((int *)(&d) + 9);
    cout << "\t地址: " << (int *)(&d) +9;
    cout << endl;
 
    getchar();
}
 

查看運行結果：

7.一些問題解答

7.1.C++封裝帶來的布局成本是多大？

在C語言中，“數據”和“處理數據的操作（函數）”是分開來聲明的，也就是說，語言本身並沒有支持“數據和函數”之間的關聯性。
在C++中，我們通過類來將屬性與操作綁定在一起，稱為ADT，抽象數據結構。

C語言中使用struct（結構體）來封裝數據，使用函數來處理數據。舉個例子，如果我們定義了一個struct Point3如下：

typedef struct Point3
{
    float x;
    float y;
    float z;
} Point3;

為了打印這個Point3d，我們可以定義一個函數：

void Point3d_print(const Point3d *pd)
{
    printf("(%f,%f,%f)",pd->x,pd->y,pd_z);
}

而在C++中，我們更傾向於定義一個Point3d類，以ADT來實現上面的操作:

class Point3d
{
    public:
        point3d (float x = 0.0,float y = 0.0,float z = 0.0)
            : _x(x), _y(y), _z(z){}

        float x() const {return _x;}
        float y() const {return _y;}
        float z() const {return _z;}
    
    private:
        float _x;
        float _y;
        float _z;
}；

    inline ostream&
    operator<<(ostream &os, const Point3d &pt)
    {
        os<<"("<<pr.x()<<","
            <<pt.y()<<","<<pt.z()<<")";
    }

看到這段代碼，很多人第一個疑問可能是：加上了封裝，布局成本增加了多少？答案是class Point3d並沒有增加成本。學過了C++對象模型，我們知道，Point3d類對象的內存中，只有三個數據成員。

上面的類聲明中，三個數據成員直接內含在每一個Point3d對象中，而成員函數雖然在類中聲明，卻不出現在類對象（object）之中，這些函數(non-inline)屬於類而不屬於類對象，只會為類產生唯一的函數實例。

所以，Point3d的封裝並沒有帶來任何空間或執行期的效率影響。而在下面這種情況下，C++的封裝額外成本才會顯示出來：

• 虛函數機制（virtual function） , 用以支持執行期綁定，實現多態。
• 虛基類 （virtual base class） ，虛繼承關系產生虛基類，用於在多重繼承下保證基類在子類中擁有唯一實例。

不僅如此，Point3d類數據成員的內存布局與c語言的結構體Point3d成員內存布局是相同的。C++中處在同一個訪問標識符（指public、private、protected）下的聲明的數據成員，在內存中必定保證以其聲明順序出現。而處於不同訪問標識符聲明下的成員則無此規定。對於Point3類來說，它的三個數據成員都處於private下，在內存中一起聲明順序出現。我們可以做下實驗：

void TestPoint3Member(const Point3d& p)
{
 
    cout << "推測_x的地址是：" << (float *) (&p) << endl;
    cout << "推測_y的地址是：" << (float *) (&p) + 1 << endl;
    cout << "推測_z的地址是：" << (float *) (&p) + 2 << endl;
 
    cout << "根據推測出的地址輸出_x的值：" << *((float *)(&p)) << endl;
    cout << "根據推測出的地址輸出_y的值：" << *((float *)(&p)+1) << endl;
    cout << "根據推測出的地址輸出_z的值：" << *((float *)(&p)+2) << endl;
 
}

    //測試代碼
    Point3d a(1,2,3);
    TestPoint3Member(a);

運行結果：

從結果可以看到，_x,_y,_z三個數據成員在內存中緊挨着。

總結一下：
不考慮虛函數與虛繼承，當數據都在同一個訪問標識符下，C++的類與C語言的結構體在對象大小和內存布局上是一致的，C++的封裝並沒有帶來空間時間上的影響。

7.2.下面這個空類構成的繼承層次中，每個類的大小是多少？

今有類如下：

class B{};
class B1 :public virtual  B{};
class B2 :public virtual  B{};
class D : public B1, public B2{};

int main()
{
    B b;
    B1 b1;
    B2 b2;
    D d;
    cout << "sizeof(b)=" << sizeof(b)<<endl;
    cout << "sizeof(b1)=" << sizeof(b1) << endl;
    cout << "sizeof(b2)=" << sizeof(b2) << endl;
    cout << "sizeof(d)=" << sizeof(d) << endl;
    getchar();
}

輸出結果是：

解析：

• 編譯器為空類安插1字節的char，以使該類對象在內存得以配置一個地址。
• b1虛繼承於b，編譯器為其安插一個4字節的虛基類表指針（32為機器），此時b1已不為空，編譯器不再為其安插1字節的char（優化）。
• b2同理。
• d含有來自b1與b2兩個父類的兩個虛基類表指針。大小為8字節。

完

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