C++类实例内存结构分析(Boolan笔记第四周)

我们来看一下C++类实例化的时候，它的各个成员在内存中的分布是怎么样的。这个问题看似简单，其实还是有许多情形需要考虑的：比如说类中是否有虚函数，子类与基类的实例内存结构有何区别，C/C++的内存对齐(比如4字节对齐或8字节对齐)对类的实例大小及内存分布有何影响? 一个空类的大小又是多少呢?

我们先看一个没有虚函数的类Fruit及它的子类Apple:

class Fruit{
   int _no;
   double _weight;
   char _key;
public:
   Fruit(int no, double weight, char key): _no(no), _weight(weight), _key(key) {}
};

class Apple: public Fruit{
   int _size;
   char _type;
public:
   Apple(int no, double weight, char key, int size, char type): Fruit(no, weight, key), _size(size), _type(type) {}
};

在Code::Blocks 8.02中运行如下代码:

    Fruit f1(1, 2.3, 'F');
    Apple a1(2, 3.4, 'B', 5, 'A');
    cout<<"sizeof(Fruit)="<<sizeof(f1)<cout<<"sizeof(Apple)="<<sizeof(a1)<

结果如下:
sizeof(Fruit)=24
sizeof(Apple)=32

通过查看memory，可知f1和a1内存结构如下图:

可以看出这里编译器默认采用8字节对齐(注意，我们可以通过#pragam pack(4) 来将其改成按4字节对齐的格式，f1和a1大小会有变化)。在Apple对象中，Fruit的部分刚好位于其顶部。Apple的成员size跟Fruit的成员key及填充共用一个8字节。

我们可以看出一下几点:
1. 子类的实例包含了基类的部分，并且基类的部分位于子类实例的开始部分；
2. 在没有虚函数的时候，C++类的大小只与其数据成员有关, 它有没有声明函数或者在类中实现函数都不影响类的大小。这个其实很好理解，因为类里面函数的代码对于该类的每个实例都是一样的，所以它不是放在类的实例中，而是放在代码段中，否则同一个类的每个实例都会额外占用大量内存。

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下面我们再看一下有虚函数的情况。我们都知道C++的类有虚函数的时候， 类的object的会多一个vptr指针，指向vtbl。那么是不是一个类有了虚函数之后， 它的size就会增加4呢？

我们把上面两个类都加上虚函数Process()，新的代码如下:

class Fruit{
   int _no;
   double _weight;
   char _key;
public:
   Fruit(int no, double weight, char key): _no(no), _weight(weight), _key(key) {}
   virtual void process(){cout<<"Fruit::process()"<public Fruit{
   int _size;
   char _type;
public:
   Apple(int no, double weight, char key, int size, char type): Fruit(no, weight, key), _size(size), _type(type) {}
  virtual void process(){cout<<"Apple::process()"<

重新编译。在Code::Blocks 8.02下运行结果为:

sizeof(Fruit)=24
sizeof(Apple)=32

那为什么加了vptr，类实例的大小不变呢? 根据查看memory，可知Fruit和Apple(有虚函数)的实例内存分配如下图:

我们可以看出，Fruit和Apple类的实例的vptr位于最开始的位置，并且vptr和Fruit类的no合在一起组成一个8字节。

下面谈谈怎么敢断定头4个字节就是vptr呢? 事实上我们可以通过f1或a1的头4个字节，看它指向什么地址，它指向的地址我们猜想应该是第一个虚函数的函数指针，我们通过这个函数指针来调用这个函数，看看是不是会打印出相应信息。

以f1为例：
&f1 - 0x28ff10, f1的地址。
(int *)(&f1) - 0x28ff10, f1的地址转换为int指针。
*(int *)(&f1) - 0x4452b0, f1的地址转换为int，这就是vptr的值。
(int*)*(int*)(&f1) - 0x4452b0, vptr指向的内容转换为int指针，它指向vtbl的第一项。
*(int*)*(int*)(&f1) - 0x41596c, vtbl第一项对应的值，它是一个指针，指向一个函数。我们下面会把它转换成函数指针。

通过我们上面得到的指针，我们就可以调用这个函数了，看它是不是真的打印出了Fruit::process()，测试代码如下:

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typedef void(*FunPt)(void);
FunPt pf;
pf = (FunPt)*(int*)*(int*)(&f1);
pf();

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重新编译，果然打印出了”Fruit::process()”。证明Fruit的头4个字节就是它的vptr。

注意，我们也可以通过(*pf)()来调用这个函数。因为调用fun()和(*fun)()是等价的。这里为什么函数指针加不加*都可以调用呢？其实编译器这里很清楚知道是要调用fun这个函数，所以两种写法都可以。但是如果是指针指向一个变量就不一样了，编译器不知道你是要访问这个变量还是它的地址。

用同样的方法(只需将上面的f1换成a1)，我们也可以直接通过a1的头4个字节得到其vptr，从而call a1的虚函数。结果打印出了”Apple::Process()”。这样我们也验证了a1的头4个字节确实是它的vptr。

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再考虑一下，如果Fruit有虚函数，Apple没有定义新的虚函数，也没有override Fruit的虚函数，那Apple的实例的内存分布如何呢？还会有vptr吗?

class Fruit{
   int _no;
   double _weight;
   char _key;
public:
   Fruit(int no, double weight, char key): _no(no), _weight(weight), _key(key) {}
   virtual void process(){cout<<"Fruit::process()"<public Fruit{
   int _size;
   char _type;
public:
   Apple(int no, double weight, char key, int size, char type): Fruit(no, weight, key), _size(size), _type(type) {}
};

重新编译，发现a1的size仍然为32。通过查看memory发现其内存分布与上图是一样的。通过头4个字节vptr我们找到vtbl的第一项，将其转换为函数指针后调用，我们发现其打印出了”Fruit::process()”。可见，如果基类有虚函数，子类没有定义新的虚函数，也没有对基类虚函数override的话，子类的实例仍然会有vptr，其指向一个vtbl，该vtbl的每一项都从基类的vtbl的相应项拷贝而来。

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再思考一个问题，如果是一个空类，其实例的size是否为0呢？如果非0，其内容是什么?

class A{

};

A a;
cout<<"sizeof(a)"<a)<;

测试发现a的大小为1，通过查看memory发现该字节内容为0。可见C++编译器对于空类为了能让其实例化，仍然会给它分配一个字节的内存。注意单独对于a而言，C/C++编译器的sizeof()不会考虑内存对齐问题，但是如果a又是其他类的一部分，则就要考虑内存对齐了。

class B{
    A a;
    int c;
};
B b;
cout<<"sizeof(b)"<

通过测试，sizeof(b)=8。可见空类仍然参与了字节对齐。