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：