C++內存模型

本文轉載自查看原文 2018-10-30 14:01 3906 C++

前言

之前阿里面試的時候有個面試官就問了我會不會"什么什么的內存模型"，當時自己還不知道這個名詞(知道概念，但確確實實不知道叫這個名字.....)，所以就回了是問關於大小端存儲么？面試官就問下一個問題了.....
后來在《程序員的自我修養》這本書中，看了相關的概念，在這里整理一下：

Visual Studio查看虛函數表

在這里首先插一個話題，講解一下如何查看虛函數表。

我們通過調試去查看變量的分布的時候，會發現只能顯示出來基類的虛函數表，而派生類的虛函數表卻是被隱藏的；我們想查看這個怎么辦？下面是步驟:

先選擇左側的C/C++->命令行，然后在其他選項這里寫上/d1 reportAllClassLayout，它可以看到所有相關類的內存布局，如果寫上/d1 reportSingleClassLayoutXXX（XXX為類名），則只會打出指定類XXX的內存布局。近期的VS版本都支持這樣配置。

運行程序的話就會自動生成一張虛函數表了:

這個內存結構圖分成了兩個部分，上面是內存分布，下面是虛表;就可以簡單進行查看了。

C++內存模型(內存布局)

內存區域

這部分經友人提醒，可以從C++標准的"內存"概念中出發，后面會更新這部分內容。
HERE
C++內存分為5個區域：
堆 heap ：
由new分配的內存塊，其釋放編譯器不去管，由我們程序自己控制（一個new對應一個delete）。如果程序員沒有釋放掉，在程序結束時OS會自動回收。涉及的問題：“緩沖區溢出”、“內存泄露”
棧 stack ：
是那些編譯器在需要時分配，在不需要時自動清除的存儲區。存放局部變量、函數參數。
存放在棧中的數據只在當前函數及下一層函數中有效，一旦函數返回了，這些數據也就自動釋放了。
全局/靜態存儲區（.bss段和.data段）：
全局和靜態變量被分配到同一塊內存中。在C語言中，未初始化的放在.bss段中，初始化的放在.data段中；在C++里則不區分了。
常量存儲區（.rodata段）：
存放常量，不允許修改（通過非正當手段也可以修改）
代碼區（.text段）：
存放代碼（如函數），不允許修改（類似常量存儲區），但可以執行（不同於常量存儲區）
根據C++對象生命周期不同，C++的內存模型有三種不同的內存區域:
1.自由存儲區，動態區、靜態區局部非靜態變量的存儲區域(棧)
2.動態區:用operator new,malloc分配的內存(堆)
3.靜態區:全局變量、靜態變量、字符串常量存在位置

內存布局

介紹完了內存區域，那么在C++中類對象的內存布局是如何分布的呢？
回顧一下，我們寫class的時候，會有成員變量、成員函數、靜態成員變量、靜態成員函數、虛函數與純虛函數這幾個元素，他們都分布在內存中，后文會詳細介紹這些分布；在這里，影響對象大小的有哪些因素呢？成員變量的類型與數量、虛函數表的指針(_vftptr)、虛基類表指針(_vbtptr)-->產生虛函數表、單一繼承、多重繼承、重復繼承、虛擬繼承，當然也會有編譯器的優化與內存對齊的影響,不過這里重點講一下類的成員變量與虛函數表相關的內存布局。

單一類

1.構造一個空類:

這里空類的長度卻是1，是為了用來標識該對象；

2.我們在類中添加成員變量:

這個涉及到了內存對齊問題，之前自己寫過一篇博客說過這個概念。調試看一下:

3.只有虛函數的類:

內存中虛函數表占了4個字節，而構建的虛函數表在我的這一篇博客中也講到了。

4.有成員變量與虛函數的類

就是將情況2、3加起來就行了。

單一繼承(含成員變量+虛函數+虛函數覆蓋)
繼承關系:

通過代碼查看的虛函數表是這樣的:

構建的虛函數表是這樣的:

多繼承(含成員函數+虛函數+虛函數覆蓋)

繼承關系:

三個int型，2個虛函數表，所以長度為20；虛函數表是這個樣子:

內存布局是這樣:

深度為2的繼承(成員變量+虛函數+虛函數覆蓋)

繼承關系:

4個int型，2個虛函數表；代碼顯示的類的布局是這樣:

內存布局：

如果自己手動計算一下繼承的內容，會發現對兩張虛函數表的內容感到奇怪，比如順着CGrandChildren的CParent1的虛函數表應該有:f0,g0,h0,g1,h1,h2,f2,f3,但是我們發現剩下的卻只有f0,g0,h0,h2,f2,f3，g1,h1都在CParent2這個表里。所以，如果在第二個基類中有的虛函數，在深度為2的繼承的第一個基類的虛函數表中需要排除這些虛函數。簡單的一個記憶方法就是按照當前方法計算出虛函數，然后再檢查其他基類中有沒有這個虛函數，如果有的話就刪掉；如果深度為1的派生類里有新的虛函數的話(不是重構基類的虛函數)，會在第一張表里生成。當然這也只是大學期間自己做題的小技巧，其原理是這樣的:重構的話必須找到相對應的基類虛函數，而在第二個基類中的虛函數只能在第二個虛函數表才能找到；此外，虛函數表會優先生成新的虛函數在第一次遇見的時候。下面寫一段代碼驗證下:

class A {
public:
	virtual void f1() { cout << "A:f1" << endl; };
	virtual void f2() { cout << "A:f2" << endl; };
	virtual void f3() { cout << "A:f3" << endl; };
};

class B {
public:
	virtual void g1() { cout << "B:g1" << endl; };
	virtual void g2() { cout << "B:g2" << endl; };
	virtual void f2() { cout << "B:f2" << endl; };
};

class C :public A, public B {
	virtual void f1() { cout << "C:f1" << endl; };
	virtual void g1() { cout << "C:g1" << endl; };
};

class D :public C {
	virtual void f1() { cout << "D:f1" << endl; };
	virtual void g2() { cout << "D:g2" << endl; };
};

顯示的內存分布是這樣的:

重復繼承(含成員變量+虛函數+虛函數覆蓋)

繼承關系:

這樣的繼承關系在內存分布中是這樣的:

由於基類中的m_nAge在內存分布中出現了兩次，所以最后的結果是5個int類型和2個虛函數表，共計28字節。

內存布局是這樣的：

單一虛繼承(含成員變量+虛函數+虛函數覆蓋)

繼承關系如下:

所謂的虛繼承就是把繼承語法前加上virtual關鍵字，例如class B：virtual public A{..};

虛擬繼承的出現就是為了解決重復繼承中多個間接父類的問題的。內存分布是這樣的:

這里需要解釋下，因為出現了vfptr與vbptr，前面的我們已經經常看到了，但是vbptr卻是第一次見，它是CChildren對應的虛表指針，它指向CChildren的虛表vtable，另一個vfptr位於0地址偏移處，它指向vftable。從截圖中也可以看出有兩個表vftable與vbtable。第二張vbtable中的8表示vbptr與基類的vfptr之間的偏移。

內存布局為:

另外提及一下，如果CChildren里全部是重載基類中的虛函數的話，或者說沒有新的虛函數的話，vftptr指向的虛函數表就是空的，所以計算大小的時候可以不用算進去，因為實際上並沒有創建相應的表格:

舉個例子:

class A {
public:
	virtual void f1() { cout << "A:f1" << endl; };
	virtual void f2() { cout << "A:f2" << endl; };
	virtual void f3() { cout << "A:f3" << endl; };
};

class B:virtual A {
public:
	//virtual void g1() { cout << "B:g1" << endl; };
	virtual void f2() { cout << "B:f2" << endl; };
	virtual void f3() { cout << "B:f3" << endl; };
};

內存分布為: