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C++语言学习（十三）——C++对象模型分析

发布时间：2020-07-16 12:57:07 作者：天山老妖S
来源：网络 阅读：772

C++语言学习（十三）——C++对象模型分析

一、C++对象模型分析

1、类对象模型的内存布局

class是一种特殊的struct，class与struct遵循相同的内存对齐原则，class中的成员函数与成员变量是分开存放的，每个对象拥有独立的成员变量，所有的对象共享类中的成员函数。
运行时，类对象退化为结构体的形式：
A、所有成员变量在内存中依次排布
B、由于内存对齐的存在，成员变量间可能存在内存间隙
C、可以通过内存地址访问成员变量
D、访问权限关键字在运行时失效

#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
    int i;
    int j;
    char c;
    double d;
public:
    void print()
    {
        cout << "i = " << i << ", "
             << "j = " << j << ", "
             << "c = " << c << ", "
             << "d = " << d << endl;
    }
};

struct B
{
    int i;
    int j;
    char c;
    double d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    A a;
    //64 bit machine
    cout << "sizeof(A) = " << sizeof(A) << endl;    // 24
    cout << "sizeof(a) = " << sizeof(a) << endl;    // 24
    cout << "sizeof(B) = " << sizeof(B) << endl;    // 24

    a.print();

    B* p = reinterpret_cast<B*>(&a);

    p->i = 1;
    p->j = 2;
    p->c = 'c';
    p->d = 3.14;
    a.print();

    return 0;
}

上述代码中，class A对象与struct B对象在内存中的排布相同。

2、派生类类对象模型

子类是由父类成员叠加子类成员得到的。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
protected:
    int m_i;
    int m_j;
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child(int i, int j, double d)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
        m_d = d;
    }
    void print()
    {
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
private:
    double m_d;
};

struct Test
{
    int i;
    int j;
    double d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    cout << sizeof(Parent) << endl;//8
    cout << sizeof(Child) << endl;//16
    Child child(1,2,3.14);
    child.print();
    Test* test = reinterpret_cast<Test*>(&child);
    cout << "i = " << test->i << endl;
    cout << "j = " << test->j << endl;
    cout << "d = " << test->d << endl;

    test->i = 100;
    test->j = 200;
    test->d = 3.1415;
    child.print();
    return 0;
}

二、C++多态的实现机制

1、C++多态的实现简介

当类中声明虚函数时，C++编译器会在类中生成一个虚函数表。虚函数表是一个用于存储virtual成员函数地址的数据结构。虚函数表由编译器自动生成与维护，virtual成员函数会被编译器放入虚函数表中。存在虚函数时，每个对象中都有一个指向类的虚函数表的指针。
由于对象调用虚函数时会查询虚函数表，因此虚函数的调用效率比普通成员函数低。
当创建类对象时，如果类中存在虚函数，编译器会在类对象中增加一个指向虚函数表的指针。父类对象中虚函数表存储的是父类的虚函数，子类对象中虚函数表存储的是子类对象的虚函数。虚函数表指针存储在类对象存储空间的开始的前4（8）个字节。

2、虚函数表

如果一个类包含虚函数，其类包含一个虚函数表。
如果一个基类包含虚函数，基类会包含一个虚函数表，其派生类也会包含一个自己的虚函数表。
虚函数表是一个函数指针数组，其数组元素是虚函数的函数指针，每个元素对应一个虚函数的函数指针。非虚成员函数的调用并不需要经过虚函数表，所以虚函数表的元素并不包括非虚成员函数的函数指针。 
虚函数表中虚函数指针的赋值发生在编译器的编译阶段，即在代码编译阶段虚函数表就生成。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent(int i, int j)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j;
        cout <<ret << endl;
        return ret;
    }
    virtual void display()
    {
        cout << "Parent::display()" << endl;
    }
protected:
    int m_i;
    int m_j;
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child(int i, int j, double d):Parent(i, j)
    {
        m_d = d;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Child::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "Child::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j + m_d;
        cout << ret << endl;
        return ret;
    }
private:
    void display()
    {
        cout << "Child::display()" << endl;
    }
private:
    double m_d;
};

struct Test
{
    void* vptr;
    int i;
    int j;
    double d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    cout << sizeof(Parent) << endl;//12
    cout << sizeof(Child) << endl;//24
    Child child(1,2,3.14);
    Test* test = reinterpret_cast<Test*>(&child);
    cout << "virtual Function Table Pointer:" << endl;
    cout << "vptr = " << test->vptr << endl;
    //虚函数表指针位于类对象的前4字节
    cout << "child Object address: " << &child << endl;
    cout << "Member Variables Address: " << endl;
    cout << "&vptr = " << &test->vptr << endl;
    cout << "&i = " << &test->i << endl;
    cout << "&j = " << &test->j << endl;
    cout << "&d = " << &test->d << endl;

    //函数指针方式访问类的虚函数
    cout << "Virtual Function Table: " << endl;
    cout << "Virtual print Function Address: " << endl;
    cout << (long*)(*((long *)(*((long *)&child)) + 0)) <<endl;
    cout << "Virtual sum Function Address: " << endl;
    cout << (long*)(*((long *)(*((long *)&child)) + 1)) <<endl;
    cout << "Virtual display Function Address: " << endl;
    cout << (long*)(*((long *)(*((long *)&child)) + 2)) <<endl;
    typedef void (*pPrint)();
    pPrint print = (pPrint)(*((long *)(*((long *)&child)) + 0));
    print();

    typedef double (*pSum)(void);
    pSum sum = (pSum)(*((long *)(*((long *)&child)) + 1));
    sum();

    typedef void (*pDisplay)(void);
    pDisplay display = (pDisplay)(*((long *)(*((long *)&child)) + 2));
    display();
    return 0;
}

上述代码中，通过类对象的虚函数表指针可以访问类的虚函数表，虚函数表顺序存储了类的虚函数的函数地址，通过函数指针的方式可以调用类的虚函数，包括声明为private的虚函数。但由于使用函数指针方式访问类的虚函数时，类的虚函数在执行过程中其this指针指向的对象是不确定的，因此访问到的类对象的成员变量的值是垃圾值。

3、虚函数表指针

虚函数表属于类，而不是属于某个具体的类对象，一个类只需要一个虚函数表。同一个类的所有对象都使用类的唯一虚函数表。 为了指定类对象的虚函数表，类对象内部包含一个指向虚函数表的指针，指向类的虚函数表。为了让每个类对象都拥有一个虚函数表指针，编译器在类中添加了一个指针*__vptr，用来指向虚函数表。当类对象在创建时便拥有__vptr指针，且__vptr指针的值会自动被设置为指向类的虚函数表。

class Parent
{
public:
    Parent(int i, int j)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j;
        cout <<ret << endl;
        return ret;
    }
    virtual void display()
    {
        cout << "Parent::display()" << endl;
    }
    int add(int value)
    {
        return m_i + m_j + value;
    }
protected:
    void func()
    {

    }
protected:
    int m_i;
    int m_j;
};

上述代码中，类的虚函数表如下：
类Parent对象的内存布局中，虚函数表指针位于类对象存储空间的开头，其值0X409004是类Parent的虚函数表的首地址，虚函数表中的第一个数组元素是虚函数Parent::print的地址，第二个数组元素是虚函数Parent::sum，第三个数组元素是虚函数Parent::display，非虚函数不在虚函数表中。
C++语言学习（十三）——C++对象模型分析

4、类对象的内存布局

对于含有虚函数的类，虚函数表指针位于类对象内存布局的开始位置，然后依次排列类继承自父类的成员变量，最后依次排列类自身的非静态成员变量。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent(int i, int j)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j;
        cout <<ret << endl;
        return ret;
    }
    virtual void display()
    {
        cout << "Parent::display()" << endl;
    }
    int add(int value)
    {
        return m_i + m_j + value;
    }
protected:
    void func()
    {

    }
protected:
    int m_i;
    int m_j;
    static int m_count;
};
int Parent::m_count  = 0;

class ChildA : public Parent
{
public:
    ChildA(int i, int j, double d):Parent(i, j)
    {
        m_d = d;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "ChildA::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "ChildA::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j + m_d;
        cout << ret << endl;
        return ret;
    }
private:
    void display()
    {
        cout << "ChildA::display()" << endl;
    }
private:
    double m_d;
};

class ChildB : public Parent
{
public:
    ChildB(int i, int j, double d):Parent(i, j)
    {
        m_d = d;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "ChildB::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "ChildB::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j + m_d;
        cout << ret << endl;
        return ret;
    }
private:
    void display()
    {
        cout << "ChildB::display()" << endl;
    }
private:
    double m_d;
};

struct ParentTest
{
    void* vptr;
    int i;
    int j;
};

struct ChildTest
{
    void* vptr;
    int i;
    int j;
    double d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    cout << sizeof(Parent) << endl;//12
    cout << sizeof(ChildA) << endl;//24
    cout << endl;
    cout << "Parent..." <<endl;
    Parent parent(1,2);
    ParentTest* parenttest = reinterpret_cast<ParentTest*>(&parent);
    cout << "Member Variable Value:"<< endl;
    //虚函数表的首地址
    cout << parenttest->vptr << endl;//编译时确定
    cout << parenttest->i << endl;//1
    cout << parenttest->j << endl;//2
    cout << "Member Variable Address:" << endl;
    cout << &parenttest->vptr << endl;
    cout << &parenttest->i << endl;
    cout << &parenttest->j << endl;
    cout << endl;
    cout << "Child..." << endl;
    ChildA child(1,2,3.14);
    ChildTest* childtest = reinterpret_cast<ChildTest*>(&child);
    cout << "Member Variable Value:"<< endl;
    //虚函数表的首地址
    cout << childtest->vptr << endl;//编译时确定
    cout << childtest->i << endl;//1
    cout << childtest->j << endl;//2
    cout << childtest->d << endl;//3.14
    cout << "Member Variable Address:" << endl;
    cout << &childtest->vptr << endl;
    cout << &childtest->i << endl;
    cout << &childtest->j << endl;
    cout << &childtest->d << endl;

    return 0;
}

C++语言学习（十三）——C++对象模型分析

5、动态绑定的实现

Parent、ChildA、ChildB三个类都有虚函数，C++编译器编译时会为每个类都创建一个虚函数表，即类Parent的虚函数表（Parent vtbl），类ChildA的虚函数表（ChildA vtbl），类ChildB的虚表（ChildB vtbl）。类Parent、ChildA、ChildB的对象都拥有一个虚函数表指针*vptr，用来指向自己所属类的虚函数表。 
类Parent包括三个虚函数，Parent类的虚函数表包含三个指针，分别指向Parent::print()、Parent::sum()、Parent::display()三个虚函数函数。 
类ChildA继承于类Parent，因此类ChildA可以调用父类Parent的函数，但类ChildA重写Parent::print()、Parent::sum()、Parent::display()三个虚函数，因此类ChildA 虚函数表的三个函数指针分别指向ChildA::print()、ChildA::sum()、ChildA::display()。 
类ChildB继承于类Parent，因此类ChildB可以调用类Parent的函数，但由于类ChildB重写Parent::print()、Parent::sum()函数，类ChildB虚函数表有三个函数指针，第一个函数指针指向Parent::display()虚函数，第二个第三个依次指向ChildB::print()、ChildB::sum()虚函数。 

ChildA childA;
Parent* p = &childA;

当定义一个ChildA类的对象childA时，childA对象包含一个虚函数表指针，指向ChildA类的虚函数表。
当定义一个Parent类的指针p指向childA对象时，p指针只能指向ChildA对象的父类Parent部分，但由于虚函数表指针位于对象存储空间的开始，因此p指针可以访问childA对象的虚函数表指针。由于childA对象的虚函数表指针指向ChildA类的虚函数表，因此p指针可以访问类ChildA的虚函数表。
当使用指针调用print函数，程序在执行p->print()时，会发现p是个指针，且调用的函数是虚函数。 
首先，根据虚函数表指针p->vptr来访问对象childA对应的虚函数表。
然后，在虚函数表中查找所调用的虚函数对应的条目。由于虚函数表在编译阶段就生成，所以可以根据所调用的函数定位到虚函数表中的对应条目。对于 p->print()的调用，类ChildA虚函数表的第一项即是print函数指针对应的条目。 
最后，根据虚函数表中找到的函数指针，调用函数ChildA::print()。

Parent base;
Parent* p = &base;
p->print();

当base对象在创建时，base对象的虚函数表指针vptr已设置为指向Parent类的虚函数表，p->vptr指向Parent虚函数表。print在Parent虚函数表中相应的条目指向Parent::print()函数，所以 p->print()会调用Parent::print()函数。
虚函数的调用的三个步骤用表达式(*(p->vptr)[n])(p)可以概括。

6、函数指针实现多态

#include <iostream>

using namespace std;

typedef void (*vfunc)();

class Parent
{
public:
    vfunc print;
    Parent()
    {
        print = Parent::display;
    }
    static void display()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
    }
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child()
    {
        print = Child::display;
    }
    static void display()
    {
        cout << "Child::" << __func__<< endl;

    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Parent parent;
    parent.print();
    Child child;
    child.print();
    Parent* p = &child;
    p->print();

    return 0;
}

// output:
// Parent::display
// Child::display
// Child::display

上述代码使用函数指针实现了多态，绕过了虚函数表，避免了虚函数表的性能损失。

三、虚函数经典问题

1、构造函数不能为虚函数

由于在构造函数执行完后，类对象的虚函数表指针才被正确初始化。因此构造函数不能为虚函数。类对象中的虚函数表指针是在调用构造函数的时候完成初始化的。因此，在构造函数调用前，虚函数表指针还没有完成初始化，无法调用虚的构造函数。
在构造函数进入函数体前，进行虚函数表指针的初始化，将虚函数表指针初始化为当前类的虚函数表地址，即在基类调用构造函数的时候，会把基类的虚函数表地址赋值给虚函数表指针，而如果进执行到子类的构造函数时，把子类的虚函数表地址赋值给虚函数表指针。因此，在派生类对象的构造时，虚函数表指针指向的虚函数表地址是动态变化的。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent(int i, int j)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
        cout << "Parent(int i, int j): " << this << endl;
        //虚函数表指针
        int* vptr = (int*)*((int*)this);
        cout << "vptr: " << vptr << endl;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
    }
    virtual ~Parent()
    {
        cout << "~Parent(): " << this << endl;
    }
protected:
    int m_i;
    int m_j;
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child(int i, int j, double d):Parent(i, j)
    {
        m_d = d;
        cout << "Child(int i, int j, double d): " << this << endl;
        //虚函数表指针
        int* vptr = (int*)*((int*)this);
        cout << "vptr: " << vptr << endl;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Child::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
    ~Child()
    {
        cout << "~Child(): " << this <<endl;
    }
private:
    double m_d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Parent* p = new Child(1,2,3.14);
    p->print();
    delete p;
    return 0;
}

2、析构函数中可以为虚函数

析构函数可以为虚函数，可以发生多态。工程实践中，如果基类中有虚成员函数，建议将析构函数声明为虚函数，确保对象销毁时触发正确的析构函数调用，保证资源的正确回收。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent(int i, int j)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
        cout << "Parent(int i, int j)" << endl;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
    }
    virtual ~Parent()
    {
        cout << "~Parent()" << endl;
    }
protected:
    int m_i;
    int m_j;
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child(int i, int j, double d):Parent(i, j)
    {
        m_d = d;
        cout << "Child(int i, int j, double d)" << endl;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Child::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
    ~Child()
    {
        cout << "~Child()" <<endl;
    }
private:
    double m_d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Parent* p = new Child(1,2,3.14);
    p->print();
    delete p;
    return 0;
}

3、构造函数内不能发生多态行为

在调用基类的构造函数时，其虚函数表指针指向的是基类的虚函数表，而在调用派生类的构造函数时，其虚函数表指针指向的是派生类的虚函数表。因此，构造函数内不能发生多态行为。

4、析构函数内不能发生多态行为

在调用派生类的析构函数时，其虚函数表指针指向的是派生类的虚函数表；在调用基类的析构函数时，其虚函数表指针指向的是基类的虚函数表，并且派生类的虚函数表已经被销毁。

推荐阅读：
  1. C++语言学习（十九）——C++类型识别
  2. C++语言（12）——C++对象模型分析

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