虚函数在对象中的内存布局

￡神魔★判官ぃ 2022-02-20 04:23 189阅读 0赞

典型地，C++通过虚函数实现多态性。多态性的定义：“无论发送消息的对象属于什么类，他们均发送具有相同形式的消息，对消息的处理方式可能随接受消息的对象而变。”具体地说，“在某个基类上建立起来的类的层次结构中，可以对任何一个派生类的对象中的同名成员函数进行调用，而被调用的成员变量所提供的处理可以随其所属的类而改变。”虚函数首先是一种成员函数，它可以在该类的派生类中被重新定义并被赋予另外一种处理功能。

我们先来看看下面的例子：

\#include<iostream>

usingnamespace std;

class A

private:

int a;

public:

void funA0()

cout << "This is funA0 in class A" << endl;

void setA(int a)

this\->a = a;

\};

class B

private:

int b;

public:

virtual void vfunB0()

cout << "This is vfunB0 in class B" << endl;

void setB(int b)

this\->b = b;

\};

class C

private:

int c;

public:

virtual void vfunC0()

cout << "It's in vfunC0 in class C" << endl;

virtual void vfunC1()

cout << "It's in vfunC1 in class C" << endl;

void setC(int c)

this\->c = c;

\};

class D : public B

private:

int d0;

int d1;

public:

void setD0(int d0)

this\->d0 = d0;

void setD1(int d1)

this\->d1 = d1;

\};

int main(void)

A aa;

B bb;

C cc;

D dd;

cout << "Size of class A = ";

cout << sizeof(aa) << endl;

cout << "Size of class B = ";

cout << sizeof(bb) << endl;

cout << "Size of class C = ";

cout << sizeof(cc) << endl;

cout << "Size of class D = ";

cout << sizeof(dd) << endl;

dd.setD0(10);

dd.setD1(11);

cout << \*((unsigned long\*)(&dd) + 1) << endl;

cout << \*((unsigned long\*)(&dd) + 2) << endl;

cout << \*((unsigned long\*)(&dd) + 3) << endl;

return 0;

输出结果：

[![虚函数在对象中的内存布局 - 玄机逸士 - 玄机逸士博客][- _ -]][- _ -]

图1

class A中定义了一个整形的成员变量a，在32-bit的操作系统中，整形是4Bytes，因此aa的大小是4Bytes；

[![虚函数在对象中的内存布局 - 玄机逸士 - 玄机逸士博客][- _ - 1]][- _ - 1]

图2

class B中定义了一个整形的成员变量b和一个虚函数vfunB0，其中整形成员变量b需要4Bytes，vfun0将导致class B生成一个指向virtual table的指针vfptr (其中virtual table中拥有该类所有虚函数的指针)。在32-bit的操作系统中一个指针需要32 bits或者4Bytes来表示，因此输出的bb的大小是8Bytes；

[![虚函数在对象中的内存布局 - 玄机逸士 - 玄机逸士博客][- _ - 2]][- _ - 2]

图3

class C中定义了一个整形的成员变量c和两个虚函数vfunC0、vfunC1，整形成员变量c需要4Bytes，两个虚函数的声明导致class C生成一个指向virtual table的指针vfptr (其中virtual table中拥有该类所有虚函数的指针)。在32-bit的操作系统中一个指针需要32 bits或者4Bytes来表示，因此输出的cc的大小也是是8Bytes。

[![虚函数在对象中的内存布局 - 玄机逸士 - 玄机逸士博客][- _ - 3]][- _ - 3]

图4

由此可见，只要在一个类中声明了一个虚函数或者多个虚函数，该类在实例化的时候，总是隐式地生成一个且仅一个指向virtual table的指针vfptr，一个或者多个该类虚函数的指针将被存放在virtual table中。另外，如果一个类存在虚函数，那么vfptr总是在最前面的，即在所有成员变量之前，如上图所示。

class D中定义了一个整形的成员变量d0、d1，整形成员变量d0、d1各需要4Bytes，另外由于它继承了class B，由于在class B中也定义了一个整形成员变量b (尽管它是private的)，这个也需要4Bytes，同时在class B 也定义的一个虚函数，也被class D继承了，而“虚函数不管被继承多少次，仍然是虚函数”，因此class D也需要在被实例化的时候隐式生成一个指向virtual table的指针vfptr。由此得到dd的大小是16Bytes。

[![虚函数在对象中的内存布局 - 玄机逸士 - 玄机逸士博客][- _ - 4]][- _ - 4]

图5

为什么说是这样的顺序呢？即b、d0、d1，而不是d0、d1、b呢，从下面的代码所产生的结果就可以很清楚地知道这一点。

dd.setD0(10); // 设置d0 = 10

dd.setD1(11); // 设置d1 = 11

// \*((unsigned long\*)(&dd) + 0) 就是Virtual Table的指针

cout << \*((unsigned long\*)(&dd) + 1) << endl; // 参照前面console的输出：3435973836

cout << \*((unsigned long\*)(&dd) + 2) << endl; // 参照前面console的输出：10

cout << \*((unsigned long\*)(&dd) + 3) << endl; // 参照前面console的输出：11

因此可以判定最后两个分别是d0、d1，紧随vfptr之后的是class B中的似有成员变量b，由于没有被赋值，所以输出的结果是任给的。

**由此我们可以得到一个重要的结论**：尽管是私有成员变量，诸如class D中的d0和d1，我们还是可以通过类似

\*((unsigned long\*)(&dd) + offset)的方式轻松地访问到，甚至其基类的私有成员变量，诸如class B中的b。（这样似乎不太安全，但事实上就是这样的，当然很少有人这么做）

同一个类的所有对象共享同一个成员函数的地址空间(虚函数除外)，而每个对象有独立的成员变量地址空间。可以说成员函数是类拥有的，成员变量是类的对象拥有的。

虚函数和虚继承问题相当复杂，尤其是两者同时存在的时候。但并不是很难，也非常有意思。

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