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C++对象在继承情况下的内存布局

2019-05-24 06:10:28来源：博客园阅读 ()

1，C++ 中继承是非常重要的一个特性，本节课研究在继承的情形下，C++ 的对象模型又有什么不同；

2，继承对象模型（最简单的情况下）：

1，在 C++ 编译器的内部类可以理解为结构体；

2，子类是由父类成员叠加子类新成员得到的；

1，代码示例：

1 class Derived : public Demo

2 {

3 int mk;

4 };

2，对象排布：

1，在对象模型中，先排布父类对象模型，再排布子类对象模型，见本文3中内容；

3，继承对象模型初探编程实验：

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class Demo
 7 {
 8 protected:
 9     int mi;
10     int mj;
11 public:
12     virtual void print()
13     {
14         cout << "mi = " << mi << ", "
15              << "mj = " << mj << endl;
16     }
17 };
18 
19 class Derived : public Demo
20 {
21     int mk;
22 public:
23     Derived(int i, int j, int k)
24     {
25         mi = i;
26         mj = j;
27         mk = k;
28     }
29     
30     void print()
31     {
32         cout << "mi = " << mi << ", "
33              << "mj = " << mj << ", "
34              << "mk = " << mk << endl;
35     }
36 };
37 
38 struct Test
39 {
40     void* p;  // 为了证明 C++ 编译器真的会在对象中塞入一个指针成员变量，且指针放在最开始的字节处；    
41     int mi;
42     int mj;
43     int mk;
44 };
45 
46 int main()
47 {
48     cout << "sizeof(Demo) = " << sizeof(Demo) << endl; // 8 bytes         
49     cout << "sizeof(Derived) = " << sizeof(Derived) << endl;  // 12 bytes
50     
51     Derived d(1, 2, 3);
52     Test* p = reinterpret_cast<Test*>(&d);
53     
54     cout << "Before changing ..." << endl;
55     
56     d.print();  // mi = 1, mj = 2, mk = 3；
57 
58     /* 通过 p 对象改变成员变量的值，这里加了 p 指针后任然能够成功的访问； */    
59     p->mi = 10;
60     p->mj = 20;
61     p->mk = 30;
62     
63     cout << "After changing ..." << endl;
64     
65     d.print();  // mi = 10, mj = 20, mk = 30；在外界访问不到的保护成员变量的值被改变了，改变是因为 d 对象的内存分布 Test 结构体的（此时类中未有虚函数，Test 中未有 空指针），因此可以用 p 指针改变 d 对象当中成员变量的值；
66     
67     return 0;
68 }

4，多态对象模型：

1，C++ 多态的实现原理：

1，当类中声明虚函数时，编译器会在类中生成一个虚函数表；

2，虚函数表是一个存储成员函数地址的数据结构；

1，存储虚函数成员地址的数据结构；

3，虚函数表是由编译器自动生成与维护的；

4，virtual 成员函数会被编译器放入虚函数表中；

1，这个表是给对象使用的；

2，对象在创建时，在内部有一个虚函数表指针，这个指针指向虚函数表；

5，存在虚函数时，每个对象中都有一个指向虚函数表的指针；

2，框图展示：

　　1，框架一

　　1，编译父类时，编译器发现了 virtual 成员函数，因此编译器创建了一个虚函数表，并且将虚函数的地址放到了虚函数表里面；

　　2，编译子类时，继承自 Demo，编译器发现重写了 add 函数，因此必须是虚函数，于是编译器就为子类也生成一张虚函数表，并且也会在虚函数表中放入重写过后的 add 虚函数的地址；

　　2，框架二

　　1，当创建父类对象的时候，会为 Demo 对象自动的塞入一个指针 VPTR，也就是如果类中有虚函数的话，在最终生成类对象的时候，会被编译器强制赛一个指针成员变量，这个指针成员变量对于程序员是不可见的，但是它确确实实的会存在对象当中，这个指针成员变量指向了虚函数表；

　　2，当创建子类对象的时候，会为 Derived 对象自动的塞入一个指针 VPTR，其是一个虚函数表指针，最终会指向创建的虚函数表；

　　3，通过 p 指针来调用虚函数 add()，编译器就会判断，当前调用的 add() 函数是不是虚函数，如果是虚函数，编译器肯定可以知道这个虚函数地址位于虚函数表里面，编译器根据 p 指向的实际对象通过强行塞入的指针来查找虚函数表，然后在虚函数表里面取得具体的 add() 函数地址，然后通过这个地址来调用，这样子就实现了多态；

　　4，当通过指针调用的函数不是虚函数，这时就不会查找虚函数表了，此时就能够直接确定函数地址；

　　3，框架三

　　1，红色箭头代表寻址操作，即代表确定最后 add() 地址的操作；

　　2，通过 p 指针找到具体的对象，然后通过具体的对象找到这个虚函数表指针，之后通过虚函数表指针找到虚函数表，在虚函数表里面通过查找找到最后的函数地址；

　3，多态发生的情形下，调用一个函数要经历三次寻址，这个调用效率不会高，即虚函数的调用效率低于普通的成员函数，C++ 中的多态是通过牺牲效率得到的；

　4，所以在写 C++ 面向对象程序的时候，要考虑一个成员函数有没有必要成为虚函数，因为每当我们定义一个虚函数，就会牺牲一定的效率，而 C++ 因为继承了 C 语言的特性，所以天生就要高效，既要高效，又要实现多态，这就交给了程序员了；

　5，虚函数中的指针指向具体对象，具体对象指针指向虚函数表，虚函数表中的指针指向具体的虚函数实现函数；

5，多态本质分析编程实验（用 C 实现多态）：

1，51-2.h 文件：

 1 #ifndef _51_2_H_
 2 #define _51_2_H_
 3 
 4 typedef void Demo;
 5 typedef void Derived;  // C 语言实现继承用 C++ 中的方法，即叠加；
 6 
 7 /* 父类中继承的成员函数 */
 8 Demo* Demo_Create(int i, int j);
 9 int Demo_GetI(Demo* pThis);
10 int Demo_GetJ(Demo* pThis);
11 int Demo_Add(Demo* pThis, int value);  // 虚函数
12 void Demo_Free(Demo* pThis);
13 
14 /* 子类中新定义的成员函数 */
15 Derived* Derived_Create(int i, int j, int k);  // 构造函数；
16 int Derived_GetK(Derived* pThis);
17 int Derived_Add(Derived* pThis, int value);  // 虚函数
18 
19 #endif

　2，51-2.c 文件：

  1 #include "51-2.h"
  2 #include "malloc.h"
  3 
  4 static int Demo_Virtual_Add(Demo* pThis, int value);  // 父类，先在这里声明，实现见第六步；
  5 static int Derived_Virtual_Add(Demo* pThis, int value);  // 子类 3，声明子类虚函数，实现见下面
  6 
  7 struct VTable     // 2. 定义虚函数表数据结构（用结构体表示虚函数表的数据结构，其用来创建虚函数表，见 static struct VTable g_Demo_vtbl）
  8 {
  9     int (*pAdd)(void*, int);   // 3. 虚函数表里面存储什么？
 10 };
 11 
 12 /* 父类成员函数 */
 13 struct ClassDemo
 14 {
 15     struct VTable* vptr;     // 1. 定义虚函数表指针  ==》 虚函数表指针类型是什么，见第二步定义；
 16     int mi;
 17     int mj;
 18 };
 19 
 20 /* 子类成员函数 */
 21 struct ClassDerived
 22 {
 23     struct ClassDemo d;  // 父类的成员变量叠加上子类的成员变量，最开始的部分为父类；
 24     int mk;
 25 };
 26 
 27 /* 父类，创建一个全局的虚函数表变量，通过 static 关键字将虚函数表隐藏在当前的文件中，外界不可访问 */
 28 static struct VTable g_Demo_vtbl = 
 29 {
 30     Demo_Virtual_Add  // 7，用真正意义上的虚函数来初始化虚函数表指针；
 31 };
 32 
 33 /* 子类 2 放子类真正意义上的虚函数 */
 34 static struct VTable g_Derived_vtbl =   // static 关键字是对虚函数表这个变量隐藏在当前文件当中，完结不可访问。
 35 {
 36     Derived_Virtual_Add
 37 };
 38 
 39 /* 父类构造函数 */
 40 Demo* Demo_Create(int i, int j)
 41 {
 42     struct ClassDemo* ret = (struct ClassDemo*)malloc(sizeof(struct ClassDemo)); 
 43 
 44     if( ret != NULL )
 45     {
 46         ret->vptr = &g_Demo_vtbl;   // 4. 关联对象和虚函数表
 47         ret->mi = i;
 48         ret->mj = j;
 49     }
 50     
 51     return ret;
 52 }
 53 
 54 /* 父类成员函数 */
 55 int Demo_GetI(Demo* pThis)
 56 {
 57      struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;    
 58 
 59      return obj->mi;
 60 }
 61 
 62 /* 父类成员函数 */
 63 int Demo_GetJ(Demo* pThis)
 64 {
 65     struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;
 66 
 67     return obj->mj;
 68 }
 69 
 70 // 6. 定义虚函数表中指针所指向的具体函数
 71 static int Demo_Virtual_Add(Demo* pThis, int value)
 72 {
 73     struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;
 74     
 75     return obj->mi + obj->mj + value;
 76 }
 77 
 78 /* 这个函数功能和上个函数功能并没有重复，这个函数变成对外的用户所使用的函数接口 */
 79 // 5. 分析具体的虚函数是什么？要定义一个全局意义上的真正的虚函数，并且这个虚函数只在当前文件中可以访问；
 80 int Demo_Add(Demo* pThis, int value)
 81 {
 82     struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;
 83 
 84     /* 通过对象找到具体的虚函数表指针，然后再找到具体的 add() 函数，具体的 add() 函数地址保存在 pAdd 里面，在这里应该是 Demo_Virtual_Add()函数 */
 85     return obj->vptr->pAdd(pThis, value);
 86 }
 87 
 88 /* 父类析构函数 */
 89 void Demo_Free(Demo* pThis)
 90 {
 91     free(pThis);
 92 }
 93 
 94 /* 子类构造函数 */
 95 Derived* Derived_Create(int i, int j, int k)
 96 {
 97     struct ClassDerived* ret = (struct ClassDerived*)malloc(sizeof(struct ClassDerived));
 98     
 99     if( ret != NULL )
100     {
101         ret->d.vptr = &g_Derived_vtbl;  // 子类 1 ，首先关联虚函数表指针，指向子类虚函数表；
102         ret->d.mi = i;  // 初始化父类成员变量，d 是子类中父类的结构体变量；
103         ret->d.mj = j;
104         ret->mk = k;
105     }
106     
107     return ret;
108 }
109 
110 /* 子类成员函数 */
111 int Derived_GetK(Derived* pThis)
112 {
113     struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis;
114     
115     return obj->mk;
116 }
117 
118 /* 子类成员函数 */
119 static int Derived_Virtual_Add(Demo* pThis, int value)
120 {
121     struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis; 
122 
123     return obj->mk + value;
124 }
125 
126 /* 子类成员函数 */
127 int Derived_Add(Derived* pThis, int value)
128 {   
129     struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis;
130    
131     return obj->d.vptr->pAdd(pThis, value);
132 }

　 3，应用文件：

 1 #include "stdio.h"
 2 #include "51-2.h"
 3 
 4 void run(Demo* p, int v)
 5 {
 6     int r = Demo_Add(p, v);  // DEmo_Add(p, 3);  没有实现多态的时候，C++ 编译器这样做更安全；
 7     
 8     printf("r = %d\n", r);  
 9 }
10 
11 int main()
12 {
13     Demo* pb = Demo_Create(1, 2);
14     Derived* pd = Derived_Create(1, 22, 333);
15     
16     printf("pb->add(3) = %d\n", Demo_Add(pb, 3));  // 6
17     printf("pd->add(3) = %d\n", Derived_Add(pd, 3));  // 336
18     
19     run(pb, 3);  // 没有实现多态的时候，打印 6；实现多态后，打印 6；
20     run(pd, 3);  // 没有实现多态的时候，打印 26；实现多态后，打印 336；
21     
22     Demo_Free(pb);
23     Demo_Free(pd);  // 子类可以继承父类的析构函数，所以可以通过父类的析构函数来析构子类对象；
24     
25     return 0;
26 }