c++对象内存布局示例详解

前言

了解你所使用的编程语言究竟是如何实现的，对于c++程序员可能特别有意义。首先，它可以去除我们对于所使用语言的神秘感，使我们不至于对于编译器干的活感到完全不可思议；尤其重要的是，它使我们在debug和使用语言高级特性的时候，有更多的把握。当需要提高代码效率的时候，这些知识也能够很好地帮助我们。

简单非多态的内存布局

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

• 只有数据成员存储在堆栈中，且其声明顺序或者存储顺序的行为与编译器强相关
• 所有其他方法（构造函数，析构函数和编译器扩展代码）都进存储在文本段。然后，这些方法将被调用并隐式地在调用对象的第一个参数中传递该指针。
  

this指针是一个隐含于每一个成员函数中的特殊指针。它是一个指向正在被该成员函数操作的对象，也就是要操作该成员函数的对象。this作用域是在类内部，当对一个对象调用成员函数时，编译程序先将对象的地址赋给this指针，编译器会自动将对象本身的地址作为一个隐含参数传递给函数。也就是说，即使你没有写this指针，编译器在编译的时候也是加上this的，它作为非静态成员函数的隐含形参。被调用的成员函数函数体内所有对类成员的访问，都会被转化为“this->类成员”的方式。

针对第二点，我们类似于：

a x;
x.printint();

其中，x::printint()这个行为，在编译器中，将处理为

printint(const x* this)

那么，x.printint()调用处理将最终成为

printint(&x);

同时具有虚函数和静态数据成员的内存布局

class x {
    int         x;
    float       xx;
    static int  count;

public:
    x() {}
    virtual ~x() {}

    virtual void printall() {}
    void printint() {}
    void printfloat() {}
    static void printcount() {}
};

其内存布局如下

      |                        |          
      |------------------------| <------ 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() |
      |------------------------|
      |                        |

• 所有非静态数据成员都按照声明的顺序将空间放入堆栈中，与前面的示例顺序相同。
• 静态数据成员将空间放入内存的数据段中。使用范围解析运算符（即：:)进行的访问。但是在编译之后，就没有像作用域和名称空间那样的东西了。因为，它的名称只是由编译器执行，所以所有内容都由其绝对或相对地址引用。
• 静态数据成员将空间放入内存的数据段中。使用范围解析运算符（即：:)进行的访问。
• 静态方法进入文本段，并通过作用域解析运算符进行调用。
• 对于virtual关键字，编译器会自动将指向虚拟表的指针（vptr）插入对象内存表示中。通常，虚拟表是在数据段中为每个类静态创建的，但它也取决于编译器的实现。
• 在虚拟表中，第一个条目指向type_info对象，该对象包含与当前基类和其他基类的dag（有向无环图）相关的信息（如果从这些基类派生的信息）。
  

继承对象的内存布局

class x {
    int     x;
    string str;

public:
    x() {}
    virtual ~x() {}

    virtual void printall() {}
};

class y : public x {
    int     y;

public:
    y() {}
    ~y() {}

    void printall() {}
};

其内存布局信息如下

      |                              |          
      |------------------------------| <------ 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              |
      |                              |

• 在继承模型中，基类和数据成员类是派生类的子对象。
• 编译器会在类的构造函数中生成具有所有重写的虚拟功能和为_vptr分配虚拟表的代码的虚拟表。
  

具有多重继承和虚拟功能的对象的内存布局

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() {}
};

内存布局如下

      |                              |          
      |------------------------------| <------ 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              |                
      |                              |               

在多继承层次结构中，创建的虚拟表指针（vptr）的确切数目将为n-1，其中n代表类的数目。

如果尝试使用任何基类指针调用z类的方法，则它将使用相应的虚拟表进行调用。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

在上面的代码中，y_ptr将指向完整z对象内类y的子对象。

结果，调用任何方法，例如使用y_ptr-> printy（）。 使用y_ptr的解析方式如下：

 ( *y_ptr->_vtbl[ 2 ] )( y_ptr )

虚继承内存布局

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       |                |             |------------------|           

• 具有一个或多个虚拟基类的派生类的内存表示形式分为两个区域：不变区域和共享区域。
• 不变区域内的数据与对象的起始位置保持固定的偏移量，而与后续派生无关。
• 共享区域包含虚拟基类，并且随后续派生和派生顺序而波动。
  

总结

了解内存布局，对我们的项目开发会提供很大的便利，比如对coredump的调试

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