C++类的存储及虚函数实现原理
一、C++成员函数在内存中的存储方式
用类去定义对象时,系统会为每一个对象分配存储空间。如果一个类包括了数据和函数,要分别为数据和函数的代码分配存储空间。按理说,如果用同一个类定义了10个对象,那么就需要分别为10个对象的数据和函数代码分配存储单元,如下图所示。
能否只用一段空间来存放这个共同的函数代码段,在调用各对象的函数时,都去调用这个公用的函数代码。如下图所示。
每个对象所占用的存储空间只是该对象的数据部分(虚函数指针和虚基类指针也属于数据部分)所占用的存储空间,而不包括函数代码所占用的存储空间。
C/C++占用内存分为以下五种情况:
(1)栈区 : 存放局部变量 (由编译器自动分配和释放。)
(2)堆区:存放由malloc/new创建的对象(由程序员申请和释放。)
(3)全局区(静态区):存储全局变量和静态变量;程序结束后由系统释放。(初始化的全局变量和静态变量放在一起,未初始化的全局变量和静态变量存放在一起)
(4)常量区:存储常量字符串,程序结束后由系统释放;
(5)代码区:存放二进制代码;
二、虚函数表
编译器处理虚函数的方法是:为每个类对象添加一个隐藏成员,隐藏成员中保存了一个指向函数地址数组的指针,称为虚表指针(vptr),这种数组成为虚函数表(virtual function table, vtbl),即,每个类使用一个虚函数表,每个类对象用一个虚表指针。
举个例子:基类对象包含一个虚表指针,指向基类中所有虚函数的地址表。派生类对象也将包含一个虚表指针,指向派生类虚函数表。看下面两种情况:
如果派生类重写了基类的虚方法,该派生类虚函数表将保存重写的虚函数的地址,而不是基类的虚函数地址。
如果基类中的虚方法没有在派生类中重写,那么派生类将继承基类中的虚方法,而且派生类中虚函数表将保存基类中未被重写的虚函数的地址。注意,如果派生类中定义了新的虚方法,则该虚函数的地址也将被添加到派生类虚函数表中。
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转自:https://www.cnblogs.com/alone-striver/p/7875741.html
1. 概述
简单地说,每一个含有虚函数(无论是其本身的,还是继承而来的)的类都至少有一个与之对应的虚函数表,其中存放着该类所有的虚函数对应的函数指针。例:
其中:
- B的虚函数表中存放着B::foo和B::bar两个函数指针。
- D的虚函数表中存放的既有继承自B的虚函数B::foo,又有重写(override)了基类虚函数B::bar的D::bar,还有新增的虚函数D::quz。
2. 虚函数表构造过程
从编译器的角度来说,B的虚函数表很好构造,D的虚函数表构造过程相对复杂。下面给出了构造D的虚函数表的一种方式(仅供参考):
提示:该过程是由编译器完成的,因此也可以说:虚函数替换过程发生在编译时。
3. 虚函数调用过程
以下面的程序为例:
编译器只知道pb是B*类型的指针,并不知道它指向的具体对象类型 :pb可能指向的是B的对象,也可能指向的是D的对象。
但对于“pb->bar()”,编译时能够确定的是:此处operator->的另一个参数是B::bar(因为pb是B*类型的,编译器认为bar是B::bar),而B::bar和D::bar在各自虚函数表中的偏移位置是相等的。
无论pb指向哪种类型的对象,只要能够确定被调函数在虚函数中的偏移值,待运行时,能够确定具体类型,并能找到相应vptr了,就能找出真正应该调用的函数。
B::bar是一个虚函数指针, 它的ptr部分内容为9,它在B的虚函数表中的偏移值为8(8+1=9)。
当程序执行到“pb->bar()”时,已经能够判断pb指向的具体类型了:
- 如果pb指向B的对象,可以获取到B对象的vptr,加上偏移值8((char*)vptr + 8),可以找到B::bar。
- 如果pb指向D的对象,可以获取到D对象的vptr,加上偏移值8((char*)vptr + 8) ,可以找到D::bar。
- 如果pb指向其它类型对象...同理...
4. 多重继承
当一个类继承多个类,且多个基类都有虚函数时,子类对象中将包含多个虚函数表的指针(即多个vptr),例:
其中:D自身的虚函数与B基类共用了同一个虚函数表,因此也称B为D的主基类(primary base class)。
虚函数替换过程与前面描述类似,只是多了一个虚函数表,多了一次拷贝和替换的过程。
虚函数的调用过程,与前面描述基本类似,区别在于基类指针指向的位置可能不是派生类对象的起始位置,以如下面的程序为例:
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