C++ 对象内存布局 | C & C++

本文介绍了 C++ 的对象在不同继承方式下的内存布局。

虚函数表

带有虚函数的类在编译时会生成一个虚表，虚表中存放着一堆指针，这些指针指向该类每一个虚函数；编译器会为每个对象生成一个虚表指针，通常在对象的地址空间的最前端，指向该类所对应的虚表。

对于这样一个类：

class Base {
  public:
    virtual void f();
    virtual void g();
    virtual void h();
};

内存布局如下：

注：虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符 /0 一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在 VC++ 中是 NULL。在 GCC 中，这个值是 1 或 0。如果是 1，表示还有下一个虚函数表，如果是 0，表示是最后一个虚函数表。

单一继承

注：10、100、1000 分别为 Parent.iparent、Child.ichild、GrandChild.igrandchild 的值。

• 虚函数表在最前面的位置
• 成员变量根据其继承和声明顺序依次放在后面，父类的虚函数在子类的虚函数前面
• 在单一的继承中，被 overwrite 的虚函数在虚函数表中得到了更新，没有被覆盖的函数依旧

多重继承

• 每个父类都有自己的虚表
• 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中
• 内存布局中，其父类布局依次按声明顺序排列
• 每个父类的虚表中的 f() 函数都被 overwrite 成了子类的 f()，这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数

菱形继承

最顶端的父类 B 其成员变量存在于 B1 和 B2 中，并被 D 给继承下去了。而在 D 中，其有 B1 和 B2 的实例，于是 B 的成员在 D 的实例中存在两份，一份是 B1 继承而来的，另一份是 B2 继承而来的。所以，如果使用以下语句，则会产生二义性编译错误：

D d;
d.ib = 0;  // 二义性错误
d.B1::ib = 1;  // 正确
d.B2::ib = 2;  // 正确

虚继承

在非虚继承中，VC++ 和 GCC 的表现几乎一样，但是虚继承就不太一样了，后面的内容仍以 VC++ 中的内存布局为例。

• 继承而来的子类会生成一个的虚基类表指针 vbptr，指向虚基类表，虚基类表保存了指向虚基类的偏移量，而非直接复制了基类的成员，（解决了菱形继承时的二义性问题，因为基类成员只有一个，可以通过不同的派生类中的不同的偏移进行访问）
• 虚基类表指针总是在虚函数表指针之后，所以对某个类实例来说，如果它有虚基类表指针，那么虚基类表指针可能在实例的 0 字节偏移处（该类没有 vptr 时，vbptr 就处于类实例内存布局的最前面），也可能在类实例的 4 字节偏移处（该类有 vptr时，vptr 处于类实例内存布局的最前面）
• 一个类的虚基类指针指向的虚基类表，与虚函数表一样，虚基类表也由多个条目组成，条目中存放的是偏移值
  • 第一个条目存放虚基类表指针（vbptr）所在地址到该类内存首地址的偏移值，这个偏移值为 0（类没有虚函数，此时类没有 vptr）或者-4（类有虚函数，此时有vptr）
  • 虚基类表的第二个、第三个、…依次为该类的最左虚继承父类、次左虚继承父类、…的内存地址相对于虚基类表指针的偏移值

单一虚继承

• 在非虚继承中，子类会复制一份父类的虚表并将自己新定义的虚函数放到其后；但是在虚继承中，子类会单独保留父类的虚表，并生成一个自己的虚表及其指针，以及一个虚基类表及其指针
• 虚继承的子类单独保留了父类的 vprt 与虚函数表，这部分内容与子类内容以 0 来分界

菱形虚继承

class B;
class B1 : virtual public;
class B2 : virtual public;
class D : public B1, public B2;

菱形虚继承下，最派生类 D 的对象模型又有不同的构成了。在 D 对象的内存构成上，有以下几点：

• 在 D 对象内存中，基类出现的顺序是：先是 B1（最左父类），然后是 B2（次左父类），最后是 B（祖父类）
• D 对象的数据成员放在 B 类前面，两部分数据依旧以 0 来分隔
• 编译器没有为 D 类生成一个它自己的 vptr，而是覆盖并扩展了最左父类的虚基类表，与简单继承的对象模型相同
• 超类 B 的内容放到了 D 类对象内存布局的最后

其他相关知识点

动态绑定

对于下面这种用法：

Base *p_base = new Derive();

指针 p_base 是可以调用到 Derive 的成员函数的，当然前提是该成员函数在 Base 中是虚函数，而且在 Derive 中有实现。原因如下：

• 派生类有一个虚函数表，这个虚函数表复制自基类
• 每个单一继承的派生类对象会有一个虚指针，指向其对象的虚函数表
• 如果派生类实现了某个虚函数，那么派生类虚函数表里面的相应内容会被替换掉
• 如果派生类实现了新的虚函数，那么这些虚函数将会加在这个虚函数表后面
• 在上面这个例子中，p_base 的虚指针其实是指向 Derive 的虚函数表，那其自然可以调用到 Derive 中实现的虚函数

基类的析构函数要声明为虚函数

对于下面这种用法：

Base *p_base = new Derive();
delete p_base;

如果基类的析构函数没有声明为虚函数，那么在最后析构的时候派生类的析构函数就不会被调用到。原因如下：

• 在上面这个例子中，p_base 本质是一个 Base 类型的对象，是无法除了通过虚函数表以外的途径调用到 Derive 的成员函数的
• 将 Base 的析构函数声明为虚函数之后，Derive 的析构函数也自动成为虚析构函数，这样的话 p_base 就可以通过虚函数表调用到 Derive 的析构函数

参考

C++ 对象的内存布局

图说C++对象模型：对象内存布局详解

C++虚函数的工作原理

C++基类的析构函数为何要声明为虚函数