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【C++深度解析】36、C++对象模型（继承内存分布、C语言实现多态）

程序员文章站 2022-05-29 17:48:47
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上一篇博客中我们讲到 class 与 struct 遵循相同的内存对齐规则，class 中的成员函数与成员变量分开存放，使用 sizeof 求解的是成员变量的内存大小，不包含成员函数，成员函数在代码段中。

继承后子类的大小怎么计算呢？

1 继承对象模型

  • 子类是由父类成员叠加子类新成员得到的

【C++深度解析】36、C++对象模型（继承内存分布、C语言实现多态）

编程实验：继承对象模型

// 36-1.cpp
#include<iostream>
using namespace std;
class Demo
{
protected:
    int mi;
    int mj;
public:
    void print()
    {
        cout << "mi = " << mi << ", "
            << "mj = " << mj << endl;
    }
};
class Derived : public Demo
{
public:
    Derived(int i, int j, int k)
    {
        mi = i;
        mj = j;
        mk = k;
    }
    void print()
    {
        cout << "mi = " << mi << ", "
            << "mj = " << mj << ", "
            << "mk = " << mk << endl;
    }
private:
    int mk;
};
struct Test
{
    int mi;
    int mj;
    int mk;
};
int main()
{
    cout << "sizeof(Demo) = " << sizeof(Demo) << endl;
    cout << "sizeof(Derived) = " << sizeof(Derived) << endl;
    Derived d(1, 2, 3);
    d.print();
    Test *p = reinterpret_cast<Test*>(&d);
    p->mi = 10;
    p->mj = 20;
    p->mk = 30;
    d.print();
    return 0;
}
  • 子类是由父类成员叠加子类新成员得到的，所以 Derived 是在类 Demo 成员的基础上叠加 mk。计算类对象大小时，计算的是成员变量的大小，成员函数保存在代码段，不计入对象大小。所以 Demo 大小为 8 个字节，Derived 为四个字节。
  • class Derived 与 struct Test 的内存分布相同，可以使用 Test 指针指向 Derived 对象，这样就重新解释了这块内存，可以修稿类对象的变量。

编译运行：

$ g++ 36-1.cpp -o 36-1
$ ./36-1
sizeof(Demo) = 8
sizeof(Derived) = 12
mi = 1, mj = 2, mk = 3
mi = 10, mj = 20, mk = 30

2 对态对象模型（虚函数）

2.1 C++ 多态的实现原理

  • 声明虚函数时，编译器在类中生成一个虚函数表（存储成员函数地址的数据结构）
  • 存在虚函数时，每个对象都有一个指向虚函数表的指针
  • 虚函数表是由编译器自动生成维护的

如下图所示：定义虚函数时，对象中除了成员变量外，还将包含一个指针，指向虚函数表，虚函数表中保存的是指向成员变量的指针。
【C++深度解析】36、C++对象模型（继承内存分布、C语言实现多态）
对象中保存的指向虚函数表的指针在内存中的最前面，下面用实验证明对象中指向虚函数表的指针的存在。

编程实验：对象中指向虚函数表的指针

我们修改一下上面的代码，将 Demo 中的 print() 函数定义为虚函数，在结构体 struct Test 的最前面加一个指针，我们这里证明类 class Derived 的内存与 struct Test 内存相同。

// 36-1.cpp
#include<iostream>
using namespace std;
class Demo
{
protected:
    int mi;
    int mj;
public:
    virtual void print()		// 虚函数，类对象中将有一个指针，指向虚函数表
    {
        cout << "mi = " << mi << ", "
            << "mj = " << mj << endl;
    }
};
class Derived : public Demo
{
public:
    Derived(int i, int j, int k)
    {
        mi = i;
        mj = j;
        mk = k;
    }
    void print()
    {
        cout << "mi = " << mi << ", "
            << "mj = " << mj << ", "
            << "mk = " << mk << endl;
    }
private:
    int mk;
};
struct Test				// 结构体中指针在最前面，和Derived内存布局相同
{
    void* p;
    int mi;
    int mj;
    int mk;
};
int main()
{
    cout << "sizeof(Demo) = " << sizeof(Demo) << endl;
    cout << "sizeof(Derived) = " << sizeof(Derived) << endl;
    Derived d(1, 2, 3);
    d.print();
    Test *p = reinterpret_cast<Test*>(&d);
    p->mi = 10;
    p->mj = 20;
    p->mk = 30;
    d.print();
    return 0;
}

首先计算父类 class Demo 和子类 class Derived 的大小，对象中包含一个指向虚函数表的指针，指类大小为 8 字节，所以 Demo 大小为 16，Derived 大小为 24。

类对象中指向虚函数表的指针在最前面，内存布局和 struct Test 的相同，我们可以通过结构体的指针修改类中的成员变量。

编译运行：

$ g++ 36-1.cpp -o 36-1
$ ./36-1
sizeof(Demo) = 16
sizeof(Derived) = 24
mi = 1, mj = 2, mk = 3
mi = 10, mj = 20, mk = 30

Demo大小为 16字节，Derived大小为 24字节，证明了类对象中指针的存在，通过结构体指针可以修改类对象的数据，证明了类对象中成员的内存分布和结构体 Test 完全相同。

2.2 调用虚函数的过程

调用虚函数的过程如下图所示

类对象根据指针查找虚函数表，虚函数表中有指向虚函数的函数指针，根据函数指针就可以找到函数。
【C++深度解析】36、C++对象模型（继承内存分布、C语言实现多态）
如果不是虚函数，编译器可以直接确定被调成员函数的地址。所以虚函数比普通成员函数效率低。

2.3 C 语言实现多态

#ifndef _POLYYMORPHISM_H_
#define _POLYYMORPHISM_H_
typedef void Demo;
typedef void Derived;

Demo* Demo_Create(int i, int j);
int Demo_GetI(Demo* pThis);
int Demo_GetJ(Demo* pThis);
int Demo_Add(Demo* pThis, int value);
void Demo_Free(Demo* pThis);

Derived* Derived_Create(int i, int j, int k);
int Derived_GetK(Derived* pThis);
int Derived_Add(Derived* pThis, int value);
#endif

#include "Polymorphism.h"
#include "malloc.h"

static int Demo_Virtual_Add(Demo* pThis, int value);
static int Derived_Virtual_Add(Demo* pThis, int value);

struct VTable     // 2. 定义虚函数表数据结构
{
    int (*pAdd)(void*, int);   // 3. 虚函数表里面存储什么？？？
};
struct ClassDemo
{
    struct VTable* vptr;     // 1. 定义虚函数表指针  ==》 虚函数表指针类型？？？
    int mi;
    int mj;
};
struct ClassDerived
{
    struct ClassDemo d;
    int mk;
};

static struct VTable g_Demo_vtbl = 
{
    Demo_Virtual_Add
};
static struct VTable g_Derived_vtbl = 
{
    Derived_Virtual_Add
};

Demo* Demo_Create(int i, int j)
{
    struct ClassDemo* ret = (struct ClassDemo*)malloc(sizeof(struct ClassDemo)); 
    if( ret != NULL )
    {
        ret->vptr = &g_Demo_vtbl;   // 4. 关联对象和虚函数表
        ret->mi = i;
        ret->mj = j;
    }
    return ret;
}

int Demo_GetI(Demo* pThis)
{
     struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;    
     return obj->mi;
}

int Demo_GetJ(Demo* pThis)
{
    struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;
    return obj->mj;
}

// 6. 定义虚函数表中指针所指向的具体函数
static int Demo_Virtual_Add(Demo* pThis, int value)
{
    struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;
    return obj->mi + obj->mj + value;
}

// 5. 分析具体的虚函数！！！！
int Demo_Add(Demo* pThis, int value)
{
    struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;
    return obj->vptr->pAdd(pThis, value);
}

void Demo_Free(Demo* pThis)
{
    free(pThis);
}

Derived* Derived_Create(int i, int j, int k)
{
    struct ClassDerived* ret = (struct ClassDerived*)malloc(sizeof(struct ClassDerived));   
    if( ret != NULL )
    {
        ret->d.vptr = &g_Derived_vtbl;
        ret->d.mi = i;
        ret->d.mj = j;
        ret->mk = k;
    }   
    return ret;
}

int Derived_GetK(Derived* pThis)
{
    struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis;
    return obj->mk;
}

static int Derived_Virtual_Add(Demo* pThis, int value)
{
    struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis; 
    return obj->mk + value;
}

int Derived_Add(Derived* pThis, int value)
{   
    struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis;
    return obj->d.vptr->pAdd(pThis, value);
}

// 36-2.c
#include<iostream>
#include"Polymorphism.h"
using namespace std;
void run(Demo* p, int v)
{
	int r = Demo_Add(p, v);
	printf("r = %d\n", r);
}
int main()
{
	Demo* pb = Demo_Create(1, 2);
    Derived* pd = Derived_Create(1, 22, 333);
    
    printf("pb->add(3) = %d\n", Demo_Add(pb, 3));
    printf("pd->add(3) = %d\n", Derived_Add(pd, 3));
    
    run(pb, 3);
    run(pd, 3);
    Demo_Free(pb);
    Demo_Free(pd);
    return 0;
}

$ g++ 36-2.c Polymorphism1.c -o 36-2
$ ./36-2
pb->add(3) = 6
pd->add(3) = 336
r = 6
r = 336

3 小结

1、继承的本质就是父子间成员变量的叠加
2、C++ 的多态通过虚函数表实现（编译器自动维护）
3、虚函数效率低于普通成员函数

相关标签： C++深度解析

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