C++对象模型

2019-11-14 10:11:26

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供稿：网友

　1.C++对象模型概述

有两个概念可以解释C++对象模型 1.语言中直接支持面向对象程序设计的部分包括了构造函数、析构函数、多态、虚函数等等. 2.对于各种支持的底层实现机制对象模型研究的是对象在存储上的空间与时间上的优化,并对C++面向对象技术加以支持,如以虚指针、虚表机制支持多态机制.

2.理解虚函数表

2.1多态与虚表

C++中虚函数的作用主要是为了实现多态机制,多台,简单的来说,是指在继承层次中,父类的指针可以具有多种形态——当它指向某个子类对象时,通过它能够调用子类的函数,而非父类的函数

class Base { virtual void PRint(void);}class Drive1:public Base{virtual void print(void);}class Drive2:public Base{vittual void print(void);}Base * ptr1 = new Base;Base *ptr2 = new Driver1;Base *ptr3 = new Driver2;ptr1->print();//调用Base::print()ptr2->print();//调用Drive1::print()ptr3->print();//调用Driver2::print()

这是一种运行期多态,即父类指针唯有在程序运行时才能知道所指的真正类型是什么,这种运行期决议,是通过虚函数表来实现的.

3.2 使用指针访问虚表

#include<iostream>using namespace std;class Base{public: Base(int i):baseI(i){}; virtual void print(void){ cout <<"调用了虚函数Base::print()"<<endl; } virtual void setI(){ cout << "调用了虚函数Base::setI();"<<endl; } virtual ~Base(){}private: int baseI;};int main(int argc,char *argv[]){ Base b(1000); int *vptrAdree = (int *)(&b); cout << "虚函数表(vptr)的地址是: "<<vptrAdree <<endl; typedef void(*Fun)(void); Fun vfunc = (Fun)*((int *)*(int *)(&b)); cout << "第一个虚函数的地址是:" <<(int *)*(int *)(&b) <<endl; cout << "通过地址,调用虚函数Base::print():"; vfunc(); return 0;}运行结果:yang@yang:~/C++/对象模型$ ./a.out 输出一:虚函数表(vptr)的地址是: 0x7ffc7fa95d20输出二:第一个虚函数的地址是:0x400dd0输出三:通过地址,调用虚函数Base::print():调用了虚函数Base::print()

输出一详解:我们强行把类对象的地址转换为int* 类型,取得了虚函数指针的地址.虚函数指针指向虚函数表,虚函数表中存储的是一系列虚函数的地址,虚函数地址出现的顺序与类中虚函数声明的顺序一致,对虚函数指针地址值解引用,可以得到虚函数表的地址,也即是虚函数表的第一个虚函数的地址: 输出二详解:

我们把虚表指针的值取出来:(int )(&b);它是一个地址,虚函数表的地址.把虚函数表的地址强制转换成int * :(int )(int *)(&b)再把它转换成我们Func指针类型:(Fun )(int ) * (int *)(&b);

3.对象模型概述

3.1对象模型概述

在C++中,有两种数据成员,static和nonstatic，以及三种类成员函数:static、nonstatic 和virtual;

这里写图片描述现在我们有一个类Base，它包含了上面这5种类型的数据或函数

#include<iostream>using namespace std;class Base{public: Base(int i):BaseI(i){}; int getI(){ return BaseI; } static void countI(){}; virtual void print(void){ cout << "Base::print()"; } virtual ~Base(){}private: int baseI; static int baseS;};

3.2 非继承下的C++ 对象模型

概述:在此模型下,nonstatic数据成员被置于每一个类对象中,而static数据成员被置于类对象之外。static与nonstatic函数也都放在类对象之外.而对于虚函数,则通过虚函数表+虚函数指针来支持，具体如下:

每一个类生成一个表格,称为虚表,虚表中存放着一堆指针,这些指针指向该类每一个虚函数,虚表中的函数地址按声明时的顺序排列,不过当子类中有多个重载函数时例外,后面会讨论. 每个类对象都拥有一个虚表指针(vptr)，由编译器为其生成,虚表指针的设定与重置皆由类的复制控制(也即是构造函数、析构函数、赋值操作符)来完成,vptr的位置由编译器来决定，许多编译器把vptr放在一个类对象的最前端。关于数据成员布局的内容，在后面会详细分析。另外，虚函数表的前面设置了一个指向type_info的指针，用以支持RTTI（Run Time Type Identification，运行时类型识别）。RTTI是为多态而生成的信息，包括对象继承关系，对象本身的描述等，只有具有虚函数的对象在会生成。

在此模型下,Base对象的对象模型如下: 这里写图片描述

4.继承下的C++对象模型

４.1单继承

#include<iostream>using namespace std;class Derive:public Base{public: Derive(int d):DeriveI(d){}; //重载父类的虚函数 virtual void print(void) { cout << "Drive::Dirve_print()"; } //Derive声明的新的虚函数 virtual void Drive_print(){ cout << "Drive::Drive_print()"; }private: int DeriveI;};

在C++对象模型中,对于一般继承(这个是相对于虚拟继承而言),若子类重写了父类的虚函数,则子类虚函数将覆盖虚表中对应父类虚函数(注意子类和父类拥有各自的一个虚函数表)；若子类并无overwrite父类虚函数,而是声明了自己的新的虚函数,则该虚函数地址将扩充到虚函数表最后，而对于虚继承,若子类overwrite父类虚函数m同样地将覆盖父类子物体中虚函数表对应位置,若子类声明了自己的新的虚函数,则编译器为其子类增加一个新的虚表指针vptr. 这里写图片描述

4.2多继承

4.2.1一般的多重继承

单继承中(一般继承),子类会扩展父类的虚函数表,在多继承中,子类含有多个父类的子对象,该往哪个父类的虚函数表扩展呢?当子类overwrite了父类的函数,需要覆盖多个父类的虚函数表吗?

子类的虚函数被放在声明的第一个基类的虚函数表中.overwrite时,所有基类的print()函数都被子类的print()函数覆盖.内存布局中,父类按照其声明顺序排列. class Base{public: Base(int i) :baseI(i){}; virtual ~Base(){} int getI(){ return baseI; } static void countI(){}; virtual void print(void){ cout << "Base::print()"; }private: int baseI; static int baseS;};class Base_2{public: Base_2(int i) :base2I(i){}; virtual ~Base_2(){} int getI(){ return base2I; } static void countI(){}; virtual void print(void){ cout << "Base_2::print()"; }private: int base2I; static int base2S;};class Drive_multyBase :public Base, public Base_2{public: Drive_multyBase(int d) :Base(1000), Base_2(2000) ,Drive_multyBaseI(d){}; virtual void print(void){ cout << "Drive_multyBase::print" ; } virtual void Drive_print(){ cout << "Drive_multyBase::Drive_print" ; }private: int Drive_multyBaseI;};

此时Drive_multyBase的对象模型是这样的: 这里写图片描述

4.2.2菱形继承(子类间接继承多次同一个基类)

菱形继承也称为重复继承,它指的是基类被某个派生类简单重复继承了多次,这样,派生类对象中拥有多份基类实例:看代码:

class B{public: int ib;public: B(int i=1) :ib(i){} virtual void f() { cout << "B::f()" << endl; } virtual void Bf() { cout << "B::Bf()" << endl; }};class B1 : public B{public: int ib1;public: B1(int i = 100 ) :ib1(i) {} virtual void f() { cout << "B1::f()" << endl; } virtual void f1() { cout << "B1::f1()" << endl; } virtual void Bf1() { cout << "B1::Bf1()" << endl; }};class B2 : public B{public: int ib2;public: B2(int i = 1000) :ib2(i) {} virtual void f() { cout << "B2::f()" << endl; } virtual void f2() { cout << "B2::f2()" << endl; } virtual void Bf2() { cout << "B2::Bf2()" << endl; }};class D : public B1, public B2{public: int id;public: D(int i= 10000) :id(i){} virtual void f() { cout << "D::f()" << endl; } virtual void f1() { cout << "D::f1()" << endl; } virtual void f2() { cout << "D::f2()" << endl; } virtual void Df() { cout << "D::Df()" << endl; }};

我们根据单继承,我们可以分析出B1,B2类继承B类时的内存布局,又根据一般多继承,我们可以分析D类的内存布局: 这里写图片描述 D类对象内存布局,图中绿色表示b1类子对象实例，蓝色表示的是b2类子对象实例,红色表示的是D类子对象实例,从图中可以看到，由于D类间接继承了B类两次，导致D类对象中含有两个B类的数据成员ib，一个属于来源B1类，一个来源B2类。这样不仅增大了空间，更重要的是引起了程序歧义：

D d;d.ib =1 ; //二义性错误,调用的是B1的ib还是B2的ib？d.B1::ib = 1; //正确d.B2::ib = 1; //正确

尽管我们可以通过明确指明调用路径以消除二义性，但二义性的潜在性还没有消除，我们可以通过虚继承来使D类只拥有一个ib实体。

５.虚继承

虚继承解决了菱形继承中派生类拥有多个间接父类实例的情况,虚继承中派生类的内存布局与普通继承有很多不同,主要体现在:

虚继承的子类,如果本身定义新的虚函数,则编译器会为其生成一个虚函数指针(vptr)以及一张虚函数表,该vptr位于对象内存最前面. 而非虚继承,直接扩展父类的虚函数表.虚继承的子类单独保留了父类的vptr与虚函数表,这部分内容与子类内容以一个四字节的0来分界.虚继承的子类对象中,含有四字节的虚表指针偏移值.

5.1 虚基类指针

在C++模型中,虚继承而来的子类会生成一个隐藏的虚基类指针, 虚基类表指针总是在虚函数表指针之后 因而，对某个类实例来说，如果它有虚基类指针，那么虚基类指针可能在实例的0字节偏移处（该类没有vptr时，vbptr就处于类实例内存布局的最前面，否则vptr处于类实例内存布局的最前面），也可能在类实例的4字节偏移处。一个类的虚基类指针指向的虚基类表,与虚函数一样,虚基类表也由多个条目组成,条目中存放的是偏移值,第一个条目存放虚基类表指针(vbptr)所在地址到该类内存首地址的偏移值,由第一段的分析我们知道,这个偏移值为0(类没有vptr)或者-4(类有虚函数,此时有vptr)，我们通过一张图来更好的理解. 这里写图片描述虚基类表的第二、第三…个条目依次为该类的最左虚继承父类、次左虚继承父类…的内存地址相对于虚基类表指针的偏移值，这点我们在下面会验证。

5.2简单的虚继承

//类的内容与前面相同class B{....}class B1:virtual public public B

根据我们前面对虚继承的派生类的内存布局的分析,B1类的对象模型应该是这样的这里写图片描述

5.3虚拟菱形继承

class B{...}class B1: virtual public B{...}class B2: virtual public B{...}class D : public B1,public B2{...}

菱形虚拟继承下,派生类D类的对象模型又有不同的构成的,在D类对象的内存构成上,有以下几点:

在D类对象内存中,基类出现的顺序是:先是B1(最左父类),然后是B2(次左父类),最后是B(虚祖父类)Ｄ类对象的数据成员id放在B类前面,两部分数据依旧以0来分隔编译器没有为D类生成一个它自己的vptr，而是覆盖并扩展了最左父类的虚基类表,与简单继承的对象模型相同.超类B的内容放到了D类对象内存布局的最后。菱形虚拟继承下的C++对象模型为: 这里写图片描述

6.下面这个空类构成的继承层次中,每个类的大小是多少?

class B{};class B1 :public virtual B{};class B2 :public virtual B{};class D : public B1, public B2{};int main(){ B b; B1 b1; B2 b2; D d; cout << "sizeof(b)=" << sizeof(b)<<endl; cout << "sizeof(b1)=" << sizeof(b1) << endl; cout << "sizeof(b2)=" << sizeof(b2) << endl; cout << "sizeof(d)=" << sizeof(d) << endl; getchar();}结果:yang@yang:~/C++/对象模型$ ./a.out sizeof(b)=1sizeof(b1)=8sizeof(b2)=8sizeof(d)=16

解析: * 编译器为空类安插1字节的char,以使该类对象在内存配置一个地址。 * b1虚继承b,编译器为其安插8字节的虚基类表指针,此时b1已不为空，编译器不再为其安插1字节的char. * b2 同理. * d含有来自b1和b2两个父类的虚基类表指针,大小为16字节.

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