C++这门语言，几乎每个学校在大一的时候，都会去学习。但是其内在的对象布局，以及virtual机制，我们又了解多少呢。为了仔细了解了解，前几天决定找点书来啃啃。然后就听闻网上的很多人推荐<深度探究C++对象模型>，就开始啃......但是可能是书比较老的缘故，很多说的很稳的道理，一实验就翻车了。所以，为了下次不翻车，就根据这本书中对象布局的讲述结构，以及查阅各种资料，在电脑实验，写下这篇博客。如果你想很清楚的弄明白C++多态，继承（单，多，虚），以及virtual机制。那么就值得一看。
实验环境：win10__Dev C++5.7.1__gcc 4.8.1__32-bit
C++对象模型
在谈对象布局之前，我们需要知道。在C++中，有俩种类成员数据：static，nonstatic。以及三种类成员函数：static， nonstatic， virtual。那么在一个类，是如何错综复杂的摆放，上述的俩种数据成员，三种函数成员呢。其实说到底，就是分析下面五种模型。
· 无继承有虚函数
· 单继承无虚函数
· 单继承有虚函数（存在多态）
· 多重继承
· 虚拟继承（菱形继承）
0x01.无继承有虚函数
考虑如下代码。
class Point { public: Point(float val); virtual ~Point(); float x() const; static int PointCount(); private: virtual ostream& print(ostream& os) const; float _x; static int _point_count; }; |
成员摆放规则
· 非静态数据成员：保存在每一个对象里
· 静态数据成员：不在对象内
· 成员函数、静态函数：不在对象内
· 虚函数：每个类产生一个虚函数表（virtual table， vtbl），里面存放着一堆指向虚函数的指针。并且每个对象里，安插一个指针（vptr）指向该虚表。也就是说，多个对象共享一张虚表。
class Point { public: Point(){ } virtual ~Point() { } private: }; /************************ * 在C++中，虚表并不一定是对象内排列的第一个，所以我们通过构造一个 * 没有数据成员，但是却存在虚函数的类，使虚表排列在第一个。（现今， * 绝大多数编译器实现虚表时，都会把它放在最前面）至于成员分布，C++ * Standard要求：较晚出现的members，在对象中具有较高的地址。 ************************/ int main(){ Point a, b; cout << "a对象地址：" << &a << "\t" << "虚表地址：" << *(int*)&a << "\t" << endl; cout << "b对象地址：" << &b << "\t" << "虚表地址：" << *(int*)&b << "\t" << endl; return 0; } // 输出： // a对象地址：0x29fe8c 虚表地址：4738776 // b对象地址：0x29fe88 虚表地址：4738776 |
0x02.单继承无虚函数
考虑如下代码。
class Point2d { public: Point2d():_x(0.0), _y(0.0) { } // 其他函数 protected: float _x; float _y; }; class Point3d:public Point2d { public: Point3d():Point2d(), _z(0.0){ } // 其他函数 protected: float _z; }; |
这种模型相比较简单一些，就是把数据成员排列。至于排列顺序，C++Standard已经有了相对的要求。见0x01 代码注释。
0x03.单继承有虚函数（存在多态）
考虑如下代码。
class Point2d { public: Point2d():_x(0.0), _y(0.0) { } virtual ~Point2d(){ } virtual void func1() { cout << "Point2d::func1" << endl;} virtual void reload() { cout << "Point2d::reload" << endl;} // 其他函数 protected: float _x; float _y; }; class Point3d:public Point2d { public: Point3d():Point2d(), _z(0.0){ } virtual ~Point3d(){ } virtual void func2() { cout << "Point3d::func2" << endl;} void reload() { cout << "Point3d::reload" << endl;} // 其他函数 protected: float _z; }; |
注意：无论在派生类中有没有使用virtual函数，派生类中的虚表指针（vptr）都是指向另外一张表，与基类虚表（vtable）没有任何关系，不过除基类中的虚函数会被派生类的虚表所引用。但是如果出现虚函数被覆盖的情况，那么派生类虚表中的指针指向覆盖后的函数。如上图reload与func1的区别。通过派生类对虚函数的覆盖，然后向下转型，同一函数，不同体现，就是多态实现原理。测试代码如下：
/******************************* * 虚表（vtable）地址： *(int *)&a * 第一个虚函数地址：*(int *)*(int *)&a * 第 i个虚函数地址：*(int *)*(int *)&a+i * 但是在上图中，第一个却不是虚函数，当一个类的析够函数被定义为虚函 * 数，它会在虚表中占俩个格子。调用vtable[0]，vtable[1]都是析够函数 * 。如果这个类是单个虚表的话，在vtable结束的地方，会补一个0. */ typedef void(*fun)(void); int main(){ Point2d a; Point3d c; cout << "a对象虚表地址：" << *(int*)&a << endl; cout << "-------------------------------" << endl; for(int i = 0; *((int *)*(int *)&a+i) != 0; i++){ cout <<"第" << i<<"个虚函数地址: "<< *((int *)*(int *)&a+i) << endl; } cout << endl << endl; cout << "c对象虚表地址：" << *(int*)&c << endl; cout << "-------------------------------" << endl; for(int i = 0; *((int *)*(int *)&c+i) != 0; i++){ cout <<"第" << i<<"个虚函数地址: "<< *((int *)*(int *)&c+i) << endl; } cout << endl; ((fun)*((int *)*(int *)&a+2))(); // 调用a.vtable[2] ((fun)*((int *)*(int *)&c+2))(); // 调用c.vtable[2] ((fun)*((int *)*(int *)&c+3))(); // 调用c.vtable[3] return 0; } // 输出结果： // a对象虚表地址：4738904 // ------------------------------- // 第0个虚函数地址: 4318248 // 第1个虚函数地址: 4318216 // 第2个虚函数地址: 4318032 // 第3个虚函数地址: 4318080 // // c对象虚表地址：4738928 // ------------------------------- // 第0个虚函数地址: 4318500 // 第1个虚函数地址: 4318468 // 第2个虚函数地址: 4318032 // 第3个虚函数地址: 4318376 // 第4个虚函数地址: 4318328 // // Point2d::func1 // Point2d::func1 // Point3d::reload |
