C++ - Object Layout
Created by : Mr Dk.
2021 / 03 / 06 16:17
Nanjing, Jiangsu, China
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一个 C++ 对象的内存布局是什么样的？
程序在运行时会有几个内存区：
- 数据段
- BSS 段
- 代码段
- 栈
- 堆
一个 C++ 对象的各部分分别在哪个位置上呢？
Original
首先明确一点，在 C 语言中：
- 全局变量和静态变量存储在数据段 (已被初始化) 和 BSS 段 (未被初始化) 中
- 代码 (函数) 全部保存在代码段中
- 函数内的局部变量位于栈上 (在编译时已经可以确定空间大小)
- 在代码中动态分配的内存位于堆上 (不确定空间大小，动态分配)
C++ Object
根据上述思路，以一个位于函数内的局部变量对象为例。在对象被声明后，肯定会在栈内占用内存空间。栈内占用内存的大小在编译时已经可以确定，包含：
- 非静态成员变量
- (如果有虚函数) 虚函数表指针
其它部分去哪了呢？以下内容参考自 Vishal Chovatiya 的博客：
class X {
int x;
float xx;
static int count;
public:
X() {}
virtual ~X() {}
virtual void printAll() {}
void printInt() {}
void printFloat() {}
static void printCount() {}
};
对象布局：
| |
|------------------------| <------ X class object memory layout
| int X::x |
stack |------------------------|
| | float X::xx |
| |------------------------| |-------|--------------------------|
| | X::_vptr |------| | type_info X |
\|/ |------------------------| |--------------------------|
| o | | address of X::~X() |
| o | |--------------------------|
| o | | address of X::printAll() |
| | |--------------------------|
| |
------|------------------------|------------
| static int X::count | /|\
|------------------------| |
| o | data segment
| o | |
| | \|/
------|------------------------|------------
| X::X() |
|------------------------| |
| X::~X() | |
|------------------------| |
| X::printAll() | \|/
|------------------------| text segment
| X::printInt() |
|------------------------|
| X::printFloat() |
|------------------------|
| static X::printCount() |
|------------------------|
| |
Member Function
成员函数去哪了？C++ 把所有的成员函数转换成了普通函数。编译器为函数加上类名作用域解析，以表示该函数属于哪个类；并为每个类成员函数 隐式传入一个参数：this 指针，指向调用成员函数的对象地址，这样成员函数内就可以访问成员变量了。以下面的类为例：
class foo {
int m_var;
public:
void print() {
cout << m_var << endl;
}
};
编译器将会对成员变量和成员函数分别对待。把成员变量留在类内，占用对象内存；把成员函数加上作用域解析，隐式传入 this 指针后，放进代码段中：
class foo {
int m_var;
};
void foo::print(foo *this) {
std::cout.operator<<(this->m_var).operator<<(std::endl);
}
Static Member Function
对于类内的静态成员函数，编译器同样对其加上作用域解析后，放进了代码段中。区别在于 不会将 this 指针作为隐式参数，因为这个函数不会被某个对象调用。
Static Member Variable
由于静态成员变量也不可能在每个对象实例中都有一个副本，因此不会与非静态成员变量一样放在栈上。被加上作用域解析后，被放进了数据段中。
Virtual Function
编译器自动为每个类内的所有虚函数生成一个 虚函数表，通常会放置在数据段中 (但具体取决于编译器的具体实现)。虚函数表中放置了指向代码段中相应函数入口的指针。表内的第一个条目是一个指向 type_info 对象的指针，该对象内包含了与当前类相关的继承信息。
编译器自动为每个带有虚函数的对象添加了一个成员变量 _vptr，该指针指向类的虚函数表。
Object Layout with Inheritance
在发生继承后，派生类对象中将会包含一个基类对象。因此，派生类对象中的内存中也会包含基类对象的所有非静态成员变量。
class X {
int x;
string str;
public:
X() {}
virtual ~X() {}
virtual void printAll() {}
};
class Y : public X {
int y;
public:
Y() {}
~Y() {}
void printAll() {}
};
如上述代码所示，基类对象中包含一个整形变量 x 和字符串对象 str；在派生类对象中，还另外附带了一个整型变量 y。内存布局如下图所示：
| |
|------------------------------| <------ Y class object memory layout
| int X::x |
stack |------------------------------|
| | int string::len |
| |string X::str ----------------|
| | char* string::str |
\|/ |------------------------------| |-------|--------------------------|
| X::_vptr |------| | type_info Y |
|------------------------------| |--------------------------|
| int Y::y | | address of Y::~Y() |
|------------------------------| |--------------------------|
| o | | address of Y::printAll() |
| o | |--------------------------|
| o |
------|------------------------------|--------
| X::X() |
|------------------------------| |
| X::~X() | |
|------------------------------| |
| X::printAll() | \|/
|------------------------------| text segment
| Y::Y() |
|------------------------------|
| Y::~Y() |
|------------------------------|
| Y::printAll() |
|------------------------------|
| string::string() |
|------------------------------|
| string::~string() |
|------------------------------|
| string::length() |
|------------------------------|
| o |
| o |
| o |
| |
派生类复制了一份基类的虚函数表。如果派生类中重写了虚函数，那么就将虚函数表中的相应条目替换为派生类中相应函数的地址。
Differences between Structure and Class
在 C++ 中对 struct 进行了扩展，struct 与 class 的使用无异，除了一点：
struct默认所有成员为public；同样，在继承方式上，默认为公有继承class默认所有成员为private；同样，在继承方式上，默认为私有继承
但是具体使用 struct 和 class 一般遵循约定：
- 如果只是为了将一些元素捆为一个整体，那么可以使用
struct - 如果是为了高层次的建模、抽象，或者提供一种接口，那么就使用
class
参考：Fluent C++ - The real difference between struct and class