如何利用VS查看C++类内存排布

悠悠 2023-05-28 14:25 1阅读 0赞

书上类继承相关章节到这里就结束了，这里不妨说下C++内存分布结构，我们来看看编译器是怎么处理类成员内存分布的，特别是在继承、虚函数存在的情况下。

工欲善其事，必先利其器，我们先用好Visual Studio工具，像下面这样一步一步来：

![format_png][]

![format_png 1][]

先选择左侧的C/C++->命令行，然后在其他选项这里写上/d1 reportAllClassLayout，它可以看到所有相关类的内存布局，如果写上/d1 reportSingleClassLayoutXXX（XXX为类名），则只会打出指定类XXX的内存布局。近期的VS版本都支持这样配置。

下面可以定义一个类，像下面这样：

1 class Base
    2 {
    3     int a;
    4     int b;
    5 public:
    6     void CommonFunction();
    7 };

然后编译一下，可以看到输出框里面有这样的排布：

![format_png 2][]

这里不想花精力在内存对齐因素上，所以成员变量都设为int型。

从这里可以看到普通类的排布方式，成员变量依据声明的顺序进行排列（类内偏移为0开始），成员函数不占内存空间。

再看下继承，往后面添加如下代码：

1 class DerivedClass: public Base
    2 {
    3     int c;
    4 public:
    5     void DerivedCommonFunction();
    6 };

编译，然后看到如下的内存分布（父类的内存分布不变，这里只讨论子类成员变量的内存分布）：

![format_png 3][]

可以看到子类继承了父类的成员变量，在内存排布上，先是排布了父类的成员变量，接着排布子类的成员变量，同样，成员函数不占字节。

下面给基类加上虚函数，暂时注释掉DerivedClass，看一下这时的内存排布：

1 class Base
    2 {
    3     int a;
    4     int b;
    5 public:
    6     void CommonFunction();
    7     void virtual VirtualFunction();
    8 };

![format_png 4][]

这个内存结构图分成了两个部分，上面是内存分布，下面是虚表，我们逐个看。VS所带编译器是把虚表指针放在了内存的开始处（0地址偏移），然后再是成员变量；下面生成了虚表，紧跟在&Base1\_meta后面的0表示，这张虚表对应的虚指针在内存中的分布，下面列出了虚函数，左侧的0是这个虚函数的序号，这里只有一个虚函数，所以只有一项，如果有多个虚函数，会有序号为1，为2的虚函数列出来。

编译器是在构造函数创建这个虚表指针以及虚表的。

那么编译器是如何利用虚表指针与虚表来实现多态的呢？是这样的，当创建一个含有虚函数的父类的对象时，编译器在对象构造时将虚表指针指向父类的虚函数；同样，当创建子类的对象时，编译器在构造函数里将虚表指针（子类只有一个虚表指针，它来自父类）指向子类的虚表（这个虚表里面的虚函数入口地址是子类的）。

所以，如果是调用Base \*p = new Derived();生成的是子类的对象，在构造时，子类对象的虚指针指向的是子类的虚表，接着由Derived\*到Base\*的转换并没有改变虚表指针，所以这时候p->VirtualFunction，实际上是p->vfptr->VirtualFunction，它在构造的时候就已经指向了子类的VirtualFunction，所以调用的是子类的虚函数，这就是多态了。

下面加上子类，并在子类中添加虚函数，像下面这样：

1 class DerivedClass: public Base
    2 {
    3     int c;
    4 public:
    5     void DerivedCommonFunction();
    6     void virtual VirtualFunction();
    7 };

可以看到子类内存的排布如下：

![format_png 5][]

上半部是内存分布，可以看到，虚表指针被继承了，且仍位于内存排布的起始处，下面是父类的成员变量a和b，最后是子类的成员变量c，注意虚表指针只有一个，子类并没有再生成虚表指针了；下半部的虚表情况与父类是一样的。

我们把子类换个代码，像这样：

1 class DerivedClass1 : public Base
    2 {
    3     int c;
    4 public:
    5     void DerivedCommonFunction();
    6     void virtual VirtualFunction2();
    7 };

注意到这时我们并没有覆写父类的虚方法，而是重声明了一个新的子类虚方法，内存分布如下：

![format_png 6][]

还是只有一个虚表指针，但是下方虚表的内容变化了，虚表的0号是父类的VirtualFunction，而1号放的是子类的VirtualFunction2。也就是说，如果定义了DerivedClass的对象，那么在构造时，虚表指针就会指向这个虚表，以后如果调用的是VirtualFunction，那么会从父类中寻找对应的虚函数，如果调用的是VirtualFunction2，那么会从子类中寻找对应的虚函数。

我们再改造一下子类，像这样：

1 class DerivedClass1 : public Base
    2 {
    3     int c;
    4 public:
    5     void DerivedCommonFunction();
    6     void virtual VirtualFunction();
    7     void virtual VirtualFunction2();
    8 };

我们既覆写父类的虚函数，也有新添的虚函数，那么可以料想的到，是下面的这种内存分布：

![format_png 7][]

下面来讨论多重继承，代码如下：

1 class Base
     2 {
     3     int a;
     4     int b;
     5 public:
     6     void CommonFunction();
     7     void virtual VirtualFunction();
     8 };
     9 
    10 
    11 class DerivedClass1: public Base
    12 {
    13     int c;
    14 public:
    15     void DerivedCommonFunction();
    16     void virtual VirtualFunction();
    17 };
    18 
    19 class DerivedClass2 : public Base
    20 {
    21     int d;
    22 public:
    23     void DerivedCommonFunction();
    24     void virtual VirtualFunction();
    25 };
    26 
    27 class DerivedDerivedClass : public DerivedClass1, public DerivedClass2
    28 {
    29     int e;
    30 public:
    31     void DerivedDerivedCommonFunction();
    32     void virtual VirtualFunction();
    33 };

内存分布从父类到子类，依次如下：

![format_png 8][]

Base中有一个虚表指针，地址偏移为0

![format_png 9][]

DerivedClass1继承了Base，内存排布是先父类后子类。

![format_png 10][]

DerivedClass2的情况是类似于DerivedClass1的。

![format_png 11][]

下面我们重点看看这个类DerivedDerivedClass，由外向内看，它并列地排布着继承而来的两个父类DerivedClass1与DerivedClass2，还有自身的成员变量e。DerivedClass1包含了它的成员变量c，以及Base，Base有一个0地址偏移的虚表指针，然后是成员变量a和b；DerivedClass2的内存排布类似于DerivedClass1，注意到DerivedClass2里面竟然也有一份Base。

![format_png 12][]

这里有两份虚表了，分别针对DerivedClass1与DerivedClass2，在&DerivedDericedClass\_meta下方的数字是首地址偏移量，靠下面的虚表的那个-16表示指向这个虚表的虚指针的内存偏移，这正是DerivedClass2中的\{vfptr\}在DerivedDerivedClass的内存偏移。

如果采用虚继承，像下面这样：

1 class DerivedClass1: virtual public Base
     2 {
     3     int c;
     4 public:
     5     void DerivedCommonFunction();
     6     void virtual VirtualFunction();
     7 };
     8 
     9 class DerivedClass2 : virtual public Base
    10 {
    11     int d;
    12 public:
    13     void DerivedCommonFunction();
    14     void virtual VirtualFunction();
    15 };
    16 
    17 class DerivedDerivedClass :  public DerivedClass1, public DerivedClass2
    18 {
    19     int e;
    20 public:
    21     void DerivedDerivedCommonFunction();
    22     void virtual VirtualFunction();
    23 };

![format_png 13][]

Base类没有变化，但往下看：

![format_png 14][]

DerivedClass1就已经有变化了，原来是先排虚表指针与Base成员变量，vfptr位于0地址偏移处；但现在有两个虚表指针了，一个是vbptr，另一个是vfptr。vbptr是这个DerivedClass1对应的虚表指针，它指向DerivedClass1的虚表vbtable，另一个vfptr是虚基类表对应的虚指针，它指向vftable。

下面列出了两张虚表，第一张表是vbptr指向的表，8表示\{vbptr\}与\{vfptr\}的偏移；第二张表是vfptr指向的表，-8指明了这张表所对应的虚指针位于内存的偏移量。

![format_png 15][]

![format_png 16][]

DerivedClass2的内存分布类似于DerivedClass1，同样会有两个虚指针，分别指向两张虚表（第二张是虚基类表）。

![format_png 17][]

下面来仔细看一下DerivedDerivedClass的内存分布，这里面有三个虚指针了，但base却只有一份。第一张虚表是内含DerivedClass1的，20表示它的虚指针\{vbptr\}离虚基表指针\{vfptr\}的距离，第二张虚表是内含DerivedClass2的，12表示它的虚指针\{vbptr\}离虚基表指针\{vfptr\}的距离，最后一张表是虚基表，-20指明了它对应的虚指针\{vfptr\}在内存中的偏移。

![format_png 18][]

![format_png 19][]

虚继承的作用是减少了对基类的重复，代价是增加了虚表指针的负担（更多的虚表指针）。

下面总结一下（当基类有虚函数时）：

**1. 每个类都有虚指针和虚表；**

**2. 如果不是虚继承，那么子类将父类的虚指针继承下来，并指向自身的虚表（发生在对象构造时）。有多少个虚函数，虚表里面的项就会有多少。多重继承时，可能存在多个的基类虚表与虚指针；**

**3. 如果是虚继承，那么子类会有两份虚指针，一份指向自己的虚表，另一份指向虚基表，多重继承时虚基表与虚基表指针有且只有一份。**

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[format_png 3]: /images/20230528/4f2d7f5d6fe44477a0f915f1a7dd26e6.png
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[format_png 5]: /images/20230528/ebce60375c3a43f6b6a8012305b46a84.png
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[format_png 7]: /images/20230528/ebe944d30da34f2e8641cb29fe5bf6d6.png
[format_png 8]: /images/20230528/7120a67cde89434fab50e5b6566e51da.png
[format_png 9]: /images/20230528/c54dbe21851442a48bc174234253f585.png
[format_png 10]: /images/20230528/4f678b99bb7a47a18b75e09763596326.png
[format_png 11]: /images/20230528/85983db52ec246be8202570dc070b399.png
[format_png 12]: /images/20230528/be714cb19fb3497b9e6550b891bf03a9.png
[format_png 13]: /images/20230528/df4c5172b1b240548977d3ece1297e6f.png
[format_png 14]: /images/20230528/4b42554586cb423dba199333115ee85c.png
[format_png 15]: /images/20230528/3ab94b19db5a4bc99e501aaf9193a558.png
[format_png 16]: /images/20230528/9f371e9d0d754c20b1039f374aa8aa38.png
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