C++对象内存布局测试总结

C++对象内存布局测试总结

　

　　http://hi.baidu.com/����/blog/item/826d38ff13c32e3a5d6008e8.html

　　上文是半年前对虚函数、虚拟继承的理解。可能有一些错漏。而且只是理解了比较简单的部分，表达也不够清晰，这次决定花的时间再做一次总结。

　　对于普通的C++对象内存布局，简单得不得了，就不做总结了。这里只总结涉及到虚拟继承的情况。

因为不同编译器对虚拟继承的实现采用不同的方式，所以要完整的分析是不可能的。这里只考虑VS2005/2008，还有简单涉及GCC编译器。

1、 单个虚拟继承

只是为了分析而已，实际中并没有太大的作用。跟虚拟继承相关的派生类对象的内存布局跟具体的编译器相关。

（1）VS编译器：无论有无虚函数，必然含有虚基类表指针。虚基类表中的内容为本类实例的偏移和基类实例的相对偏移值。如果有虚函数，那么基类的虚函数表跟派生类的虚函数表是分开的。

在内存布局上，地址从低到高，顺序如下：派生类的虚函数表指针+虚基类表指针+派生类的成员变量+“间隔”（4个字节）+基类的虚函数表指针+基类的成员变量。派生类跟基类实例的位置关系跟普通继承正好相反。

说明：“间隔”产生的原因是派生类重写了基类的虚函数。如果没重写，则这一项没有。"本类地址"指的是包含有虚基类的对象（或部分对象），也就是继承链上 的直接子类对象的地址，本例比较简单，就是派生类对象地址。“本类地址跟虚基类表指针地址只差”，这个值经常是-4、0，-4表明“本类”还有一个虚函数 表指针；0则表明“本类”的第一个4字节保存的就是虚基类表指针，没有虚函数表指针。

图 1 VS编译器—单个虚拟继承

（2）GNU的GCC编译器：跟VS的编译器类似，有不同的地方是，虚基类表跟派生类的虚函数表合并。另外通过虚基类表指针往正负两个方向寻址，可以获得 不同偏移值，也就是说有两个功能一样的虚函数表。不过在实际应用的时候，不知道虚基类表是否真的有用，测试了简单的情况发现编译器做了优化，根本就没有用 虚基类表来寻址虚基类实例。

图 2 GCC编译器—单个虚拟继承

2、 虚拟继承多个基类

虚基类表要增加内容，有N个虚基类就有N项基类实例偏移值，再加上1项本类实例的偏移值，也就是N+1。

假设C虚拟继承了A类和B类，考虑最复杂的情况（都有虚函数），那么C类对象的内存布局如下

（VS编译器）：

C类虚函数表指针+虚基类表指针+C类成员变量+A类间隔（4个字节） + A类虚函数表指针+ A类成员变量+ B类间隔（4个字节）+B类虚函数表指针+ B类成员变量。

说明：当派生类重写了该基类的虚函数，才会有“间隔”。“间隔”属于虚函数被重新实现了的虚基类，可能是一个标志，也有可能是在函数调用的时候用上。不是很清楚。

图 3 VS编译器—虚拟继承多个基类

（GCC编译器）：

C类虚函数表指针(包含虚基类表) + C类成员变量 + A类虚函数表指针 +  A类成员变量 + B类虚函数表指针 + B类成员变量。

相比较执行，使用GCC编译器，派生类对象小一些。（图略）

3、 虚拟继承之菱形继承

这里的菱形继承指的是：B、C虚拟继承A，然后D普通继承B、C。

D类的对象的内存布局如下

（VS编译器）

B类虚函数表指针（该虚函数表包含D类独有的虚函数的地址）+B类虚基类表指针+B类成员变量+C类虚函数表指针+C类虚基类表指针+C类成员变量+D类成员变量+“间隔”+A类虚函数表指针+A类成员变量。

说明：如果A类的虚函数没有被重写，那么就没有“间隔”。

图 4 VS编译器—菱形继承

（GCC编译器）

把B、C类的虚函数表跟虚基类表合并就是了。（图略）

4、VS编译器，“间隔”的疑问

“间隔”的问题，在没有虚函数的情况下，重写是没有“间隔”的，所以觉得可能跟虚函数有关，也就是说是为了实现多态，具体是用在哪个地方，做 了简单的反汇编调试（父类指针指向子类对象，调用被子类重写了的虚函数），并没有发现哪里用到了“间隔”，可能要在复杂的调用才会用上吧，目前搞不清楚。

5、虚基类表的问题

通过反汇编调试发现在使用多态的时候，VS编译器会去使用虚基类表，用于寻址虚基类地址。而GCC编译器则没有这么做，测试了比较简单的情况，发现它做了优化，并没有利用虚基类表，而是直接在派生类对象地址上加上一个常数，获得虚基类实例的地址。

学习参考：

http://blog.csdn.net/haoel/archive/2008/10/15/3081328.aspx

http://blog.csdn.net/BlueDog/archive/2009/10/22/4711169.aspx

《深度探索C++对象模型》也是非常好的资料，只是该书较旧，而类对象布局又是编译器的个性属性，手上的编译器有可能不是按照书里的来实现（譬如书中强调 虚函数表指针放在类对象的结尾，以便兼容Ｃ，而实际上编译器没有这么做，还有，数据成员的地址也没有像书中所说的那样），所以动手实践才有真理。