剛看完了《深度探索C++對(duì)象模型》第三章，這里做一下總結(jié)，也寫一下我自己在g++ 7.5.0上的驗(yàn)證。
本文中所有的源文件都可以在這里拿到（百度網(wǎng)盤鏈接）。
注意，這里所說(shuō)的“對(duì)象”是指在C++中使用class或struct關(guān)鍵字創(chuàng)建的類的實(shí)例。

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1. 無(wú)繼承情況下的C++對(duì)象內(nèi)存布局

首先當(dāng)然是從最基礎(chǔ)的情況來(lái)講，在沒有繼承的情況下的C++對(duì)象內(nèi)存布局是什么樣的？這又分為兩種：無(wú)虛函數(shù)和有虛函數(shù)。

1.1 無(wú)虛函數(shù)

C++類內(nèi)成員變量分為兩類：static成員變量和非static成員變量。static成員變量不在類的實(shí)例的內(nèi)部，在整個(gè)內(nèi)存中只有一份，只需要使用類名即可訪問(wèn)；而非static成員變量在類的實(shí)例內(nèi)部，需要為其分配空間。
在這種情況下C++的對(duì)象和C的結(jié)構(gòu)體是一樣的，畢竟要實(shí)現(xiàn)和C的兼容，主要就是結(jié)構(gòu)體/類內(nèi)成員變量的對(duì)齊。
其一般規(guī)則總結(jié)如下：

1. 所有成員按照在類內(nèi)的聲明順序在內(nèi)存中排列；

// test00.cpp
#include <iostream>

int main();

class Test00 {
    friend int main();
public:
    int i1;
private:
    int i2;
public:
    int i3;
};

#define showOffset(ClassName, memberName) (reinterpret_cast<unsigned long>( &(static_cast<ClassName*>(nullptr)->memberName)))

int main() {
    std::cout << showOffset(Test00, i1) << std::endl;
    std::cout << showOffset(Test00, i2) << std::endl;
    std::cout << showOffset(Test00, i3) << std::endl;
}

// Output:
//  0
//  4
//  8

2. 任一非static成員變量的偏移（offset）要是其大小的倍數(shù)；

// test01.cpp
#include <iostream>
struct Test01 {
    char c;
    int i; // 如果緊湊排列，則i的偏移為1，但i的size為4，偏移要是4的倍數(shù)，因此i的偏移為4
};

#define showOffset(ClassName, memberName) (reinterpret_cast<unsigned long>( &(static_cast<ClassName*>(nullptr)->memberName)))

int main() {
    std::cout << showOffset(struct Test01, i) << std::endl;
}

// Output:
//  4

3. 結(jié)構(gòu)體整體的size需要為最大非static成員變量size的倍數(shù)；

// test02.cpp
#include <iostream>

// 如果緊湊排，Test02_1的size應(yīng)為9，
// 但要與int（size為4）對(duì)其，所以其size為12
struct Test02_1 {
    char c1;  // Offset: 0
    int i;    // Offset: 4
    char c2;  // Offset: 8
};

// Test02_2成員和Test02_1相同，但順序不同，
// 受規(guī)則2和3影響，其size為8
struct Test02_2 {
    char c1;  // Offset: 0
    char c2;  // Offset: 1
    int i;    // Offset: 4
};

int main() {
    std::cout << "sizeof Test02_1: " << sizeof(Test02_1) << std::endl;
    std::cout << "sizeof Test02_2: " << sizeof(Test02_2) << std::endl;
}

// Output:
//  sizeof Test02_1: 12
//  sizeof Test02_2: 8

4. 空對(duì)象的size為1，為了保證每個(gè)對(duì)象都有唯一的內(nèi)存位置（memory location）

// test03.cpp
#include <iostream>

struct Test03 {}; // Empty class

int main() {
    Test03 a, b;
    std::cout << "sizeof Test03: " << sizeof(Test03) << std::endl;
    if (&a == &b)
        std::cerr << " Error! &a == &b, at " << static_cast<void*>(&a) <<  std::endl;
    else
        std::cout << "a and b has different address, &a = " << static_cast<void*>(&a) << " and &b = " << static_cast<void*>(&b) << std::endl;
}

// Output:
//  sizeof Test03: 1
//  a and b has different address, &a = 0x7fffe62e8486 and &b = 0x7fffe62e8487

5. 當(dāng)類(class)/結(jié)構(gòu)體(struct) A 作為一個(gè)類B的內(nèi)部成員變量時(shí)，其對(duì)齊要求為類A內(nèi)部最大的對(duì)齊要求；

// test04.cpp
#include <iostream>

// 規(guī)則2中的類，size為8，對(duì)齊要求為4
struct Test01{
    char c;
    int i;
};

struct Test04 {
    char c;   // Offset: 1, size 1
    Test01 t; // Offset: 4, size 8
};

#define showOffset(ClassName, memberName) (reinterpret_cast<unsigned long>( &(static_cast<ClassName*>(nullptr)->memberName)))

int main() {
    std::cout << "Offset of t in struct Test04: " << showOffset(Test04, t) << std::endl;
    std::cout << "sizeof Test04: " << sizeof(Test04) << std::endl; 
}

// Output:
//  Offset of t in struct Test04: 4
//  sizeof Test04: 12

6. 空的類（empty class）A作為作為一個(gè)類B的成員變量時(shí)，類A占用一個(gè)字節(jié)的空間，對(duì)其要求也為1；

// test05.cpp
#include <iostream>

// 規(guī)則4中的類，空類，size = 1
struct Test03 {};

struct Test05 {
    char c;     // Offset: 0, size: 1
    Test03 t;   // Offset: 1, size: 1
};

#define showOffset(ClassName, memberName) (reinterpret_cast<unsigned long>( &(static_cast<ClassName*>(nullptr)->memberName)))

int main() {
    std::cout << "Offset of t in struct Test04: " << showOffset(Test05, t) << std::endl;
    std::cout << "sizeof Test05: " << sizeof(Test05) << std::endl; 
}

// Output:
//  Offset of t in struct Test04: 1
//  sizeof Test05: 2

1.2 有虛函數(shù)

C++使用虛函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)，非虛函數(shù)不展現(xiàn)多態(tài)性，當(dāng)調(diào)用非虛函數(shù)時(shí)，只要調(diào)用一個(gè)寫死的地址即可，無(wú)論是使用對(duì)象調(diào)用還是使用指針/引用調(diào)用；而當(dāng)使用指針/引用調(diào)用虛函數(shù)需要視其綁定到的實(shí)際對(duì)象來(lái)調(diào)用對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)，以展現(xiàn)多態(tài)性（用對(duì)象調(diào)用虛函數(shù)不展現(xiàn)多態(tài)性）。
而C++實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)用到的便是虛表。所謂虛表，就是保存該類所有虛函數(shù)地址的一張表，一個(gè)類的某個(gè)確定的虛函數(shù)在虛表的確定位置，而類實(shí)例中有一個(gè)虛表指針指向該虛表，當(dāng)出現(xiàn)類繼承并覆寫（override）了該虛函數(shù)時(shí)，只需要將虛表指針指向另一張?zhí)摫恚撎摫碇袑?duì)應(yīng)位置的函數(shù)指針換為新的函數(shù)即可。另外，一個(gè)類的所有對(duì)象共享同一張?zhí)摫?，因此不?huì)帶來(lái)大的內(nèi)存消耗。該虛表由編譯器生成。
這里只是對(duì)于虛函數(shù)和虛表進(jìn)行了簡(jiǎn)單的描述，詳細(xì)可查詢網(wǎng)絡(luò)資源，這里不再贅述。
就像上面所說(shuō)，相比于沒有虛函數(shù)的類，由虛函數(shù)的類的實(shí)例只是多了一個(gè)指向虛表的指針，其放在類的開頭或者結(jié)尾(g++將其放在類的開頭)，大小和對(duì)其要求視平臺(tái)而定，在x86-64平臺(tái)上，虛表指針大小和對(duì)其要求為8字節(jié)。

// test06.cpp
class Point {
public:
    Point(int x)
        :m_x(x)
    {}

    virtual
    int getX()
    { return m_x; }

private:
    int m_x;
};


int main() {
    Point p(1);
    int x = p.getX();
}

使用gdb觀察，可以看到Point類實(shí)例p的size為16，包括size為8的虛表指針和size為4的int類型的成員變量m_x，同時(shí)，由于虛表指針的對(duì)其要求為8，所以Point的size必須是8的倍數(shù)，所以其size為16。
同時(shí)查看p的內(nèi)存布局，可以看到虛表指針被放置于類實(shí)例的頭部，占用8個(gè)字節(jié)，后面緊跟4個(gè)字節(jié)的int類型的成員變量m_i，最后填充了4個(gè)字節(jié)以使類Point的size為8的倍數(shù)。

我們?cè)诓榭匆幌绿摫碇羔樦赶虻膬?nèi)存，我這里使用的是64位系統(tǒng)和程序，所以函數(shù)指針是8位大小，虛表指針指向的虛表的第一個(gè)表項(xiàng)是地址0x0b2，同時(shí)查看反匯編，因?yàn)槲覀兪褂脤?duì)象來(lái)調(diào)用虛函數(shù)，不展現(xiàn)多態(tài)性，這里直接call了Point::getX()的地址，可以看到其地址為0x0b2，正好是前面虛表的第一個(gè)表項(xiàng)。
還有就是Point類型對(duì)應(yīng)的typeinfo對(duì)象的地址，在《深度探索C++對(duì)象模型》中提到其位于虛表的第一個(gè)表項(xiàng)，但前面我們看到虛表第一個(gè)表項(xiàng)存放的是虛函數(shù)，那typeinfo的地址放在哪里呢？我們來(lái)找一下。

// file test07.cpp
#include <typeinfo>
  2 class Point {
  3 public:
  4     Point(int x)
  5         :m_x(x)
  6     {}
  7
  8     virtual
  9     int getX()
 10     { return m_x; }
 11
 12 private:
 13     int m_x;
 14 };
 15
 16 int main() {
 17     Point p(1);
 18     auto& ti = typeid(p);
 19     int x = p.getX();
 20 }

可以看到反匯編中保存了0x8200da8這一地址到棧上，再結(jié)合我們的源碼，很可能gdb所提示的<_ZTI5Point>這一對(duì)象就是Point類的typeinfo對(duì)象，我們使用工具c++filt來(lái)看_ZTI5Point這個(gè)被修飾過(guò)的符號(hào)是什么含義，不出所料，正是Point類對(duì)應(yīng)的typeinfo對(duì)象。

liuyun@DESKTOP-Q5AT31V:/tmp/test/cppObjectModel/chap03/blog$ c++filt _ZTI5Point
typeinfo for Point

既然Point對(duì)應(yīng)的typeinfo對(duì)象的地址為0x8200da8，我們查看虛表附近的地址，發(fā)現(xiàn)虛表指針指向的地址的前面的一個(gè)QWORD的內(nèi)容正好是typeinfo的地址，那是不是虛表指針指向的并不是虛表的開頭，而是第一個(gè)虛函數(shù)所在的地址，而在虛表中，第一個(gè)虛函數(shù)這一表項(xiàng)前面便是該類對(duì)應(yīng)的typeinfo的地址？

在查閱資料的時(shí)候，《C++虛函數(shù)之二：虛函數(shù)表與虛函數(shù)調(diào)用》這篇博客提到g++支持-fdump-class-hierarchy這一編譯選項(xiàng)，可以生成一個(gè)名為{source_file_name}.002t.class的文件，文件中詳細(xì)記錄了各個(gè)類的信息，包括其虛表信息。
正如我們所想，如果我們使用vptr指代虛表指針，那么vptr[0]就是第一個(gè)虛函數(shù)的地址，vptr[-1]則是該類對(duì)應(yīng)的typeinfo的地址，而在最前面，g++還填充了一個(gè)空的表項(xiàng)。

最后還有一個(gè)問(wèn)題，再?zèng)]有虛函數(shù)的時(shí)候，編譯器為了讓每一個(gè)對(duì)象都有自己獨(dú)一無(wú)二的地址，會(huì)在對(duì)象中插入一個(gè)字節(jié)占位，而在有虛函數(shù)的時(shí)候類中會(huì)有一個(gè)原生的虛表指針vptr，從而至少占8字節(jié)大小(x86-64上)，那么是否就不需要再插入一個(gè)字節(jié)了呢？事實(shí)正如我們所想，Test08類的size為8而不是16。

// test08.cpp
#include <iostream>

class Test08 {
public:
virtual
int getNumber() { return s_i++; }

private:
    static int s_i;
};

int Test08::s_i = 0;

int main() {
    std::cout << "sizeof Test08: " << sizeof(Test08) << std::endl;
    Test08 t;
    int i = t.getNumber();
}
// Output:
//  sizeof Test08: 8

這一篇博客就先寫到這里，下一篇再談?wù)勗诶^承體系下g++是如何實(shí)現(xiàn)C++對(duì)象的內(nèi)存布局的。

當(dāng)前題目：C++對(duì)象模型：g++的實(shí)現(xiàn)（一）
文章URL：http://chinadenli.net/article8/dsoieip.html

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