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了解你所使用的編程語言究竟是如何實現的，對於C++程序員可能特別有意義。首先，它可以去除我們對於所使用語言的神秘感，使我們不至於對於編譯器干的活感到完全不可思議；尤其重要的是，它使我們在Debug和使用語言高級特性的時候，有更多的把握。當需要提高代碼效率的時候，這些知識也能夠很好地幫助我們。
簡單非多態的內存布局
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
- 只有數據成員存儲在堆棧中，且其聲明順序或者存儲順序的行為與編譯器強相關
- 所有其他方法（構造函數，析構函數和編譯器擴展代碼）都進存儲在文本段。然后，這些方法將被調用並隱式地在調用對象的第一個參數中傳遞該指針。
this指針是一個隱含於每一個成員函數中的特殊指針。它是一個指向正在被該成員函數操作的對象，也就是要操作該成員函數的對象。this作用域是在類內部，當對一個對象調用成員函數時，編譯程序先將對象的地址賦給this指針，編譯器會自動將對象本身的地址作為一個隱含參數傳遞給函數。也就是說，即使你沒有寫this指針，編譯器在編譯的時候也是加上this的，它作為非靜態成員函數的隱含形參。被調用的成員函數函數體內所有對類成員的訪問，都會被轉化為“this->類成員”的方式。
針對第二點，我們類似於：
A x;
x.printInt();
其中，X::printInt()這個行為，在編譯器中，將處理為
printInt(const X* this)
那么，x.printInt()調用處理將最終成為
printInt(&x);
同時具有虛函數和靜態數據成員的內存布局
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() |
|------------------------|
| |
- 所有非靜態數據成員都按照聲明的順序將空間放入堆棧中，與前面的示例順序相同。
- 靜態數據成員將空間放入內存的數據段中。使用范圍解析運算符（即：:)進行的訪問。但是在編譯之后，就沒有像作用域和名稱空間那樣的東西了。因為，它的名稱只是由編譯器執行，所以所有內容都由其絕對或相對地址引用。
- 靜態數據成員將空間放入內存的數據段中。使用范圍解析運算符（即：:)進行的訪問。
- 靜態方法進入文本段，並通過作用域解析運算符進行調用。
- 對於virtual關鍵字，編譯器會自動將指向虛擬表的指針（vptr）插入對象內存表示中。通常，虛擬表是在數據段中為每個類靜態創建的，但它也取決於編譯器的實現。
- 在虛擬表中，第一個條目指向type_info對象，該對象包含與當前基類和其他基類的DAG（有向無環圖）相關的信息（如果從這些基類派生的信息）。
繼承對象的內存布局
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，基類和數據成員類是派生類的子對象。
- 編譯器會在類的構造函數中生成具有所有重寫的虛擬功能和為_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象的內存布局
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 |
| |
- 在多繼承層次結構中，創建的虛擬表指針（vptr）的確切數目將為N-1，其中N代表類的數目。
- 如果嘗試使用任何基類指針調用Z類的方法，則它將使用相應的虛擬表進行調用。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對象內類Y的子對象。
- 結果，調用任何方法，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 | | |------------------|
- 具有一個或多個虛擬基類的派生類的內存表示形式分為兩個區域：不變區域和共享區域。
- 不變區域內的數據與對象的起始位置保持固定的偏移量，而與后續派生無關。
- 共享區域包含虛擬基類，並且隨后續派生和派生順序而波動。
總結
了解內存布局，對我們的項目開發會提供很大的便利，比如對coredump的調試
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