对C++对象内存模型造成的影响(类/对象的大小)

首先重新回顾一下关于类/对象大小的计算原则：

类大小计算遵循结构体对齐原则

第一个数据成员放在offset为0的位置

其它成员对齐至min(sizeof(member)，#pragma pack(n)所指定的值)的整数倍。

整个结构体也要对齐，结构体总大小对齐至各个min中最大值的整数倍。

win32 可选的有1， 2， 4， 8， 16

linux 32 可选的有1， 2， 4

类的大小与数据成员有关与成员函数无关
类的大小与静态数据成员无关
虚继承对类的大小的影响
虚函数对类的大小的影响

下面通过实例来展示虚继承和虚函数对类大小造成的影响。

测试环境为：Win32 + Vs2008

一、只出现虚继承的情况

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#include <iostream>
using namespace std;

class BB
{
public :
int bb_ ;
};

class B1 : virtual public BB
{
public :
int b1_ ;
};

class B2 : virtual public BB
{
public :
int b2_ ;
};

class DD : public B1, public B2
{
public :
int dd_ ;
};

int main (void)
{
      cout<<sizeof (BB)<< endl;
      cout<<sizeof (B1)<< endl;
      cout<<sizeof (DD)<< endl;

B1 b1 ;
int** p ;

cout<<&b1 <<endl;
cout<<&b1 .bb_<< endl;
cout<<&b1 .b1_<< endl;

p = (int **)&b1;
cout<<p [0][0]<<endl;
cout<<p [0][1]<<endl;

DD dd ;
      cout<<&dd <<endl;
      cout<<&dd .bb_<< endl;
      cout<<&dd .b1_<< endl;
      cout<<&dd .b2_<< endl;
      cout<<&dd .dd_<< endl;
      p = (int **)&dd;
      cout<<p [0][0]<<endl;
      cout<<p [0][1]<<endl;
      cout<<endl ;
      cout<<p [2][0]<<endl;
      cout<<p [2][1]<<endl;

BB* pp ;

pp = &dd ;
      dd.bb_ = 10; //对象的内存模型在编译时就已经确定了，否则无法定义类的对象，因为要开辟内存
      int base = pp-> bb_;     // 通过间接访问 (其实pp 已经偏移了20 )，这需要运行时的支持
      cout<<"dd.bb_=" <<base<< endl;

return 0;
}

从输出的地址和虚基类表成员数据可以画出对象内存模型图：

virtual base table

本类地址与虚基类表指针地址的差

虚基类地址与虚基类表指针地址的差

virtual base table pointer(vbptr)

从程序可以看出pp是BB* 指针，通过打印pp 的值与&dd 比较可知，

cout<<(void*)&dd<<endl;
cout<<(void*)pp<<endl;

pp实际上已经偏移了20个字节，如何实现的呢？先找到首个vbptr，找到虚基类BB地址与虚基类表指针地址的差，也即是20，接着pp偏移20个字节指向了dd对象中的BB部分，然后就访问到了bb_，这是在运行时才做的转换。记住：C++标准规定对对象取地址将始终为对应类型的首地址。

二、只出现虚函数的情况

（一）：一般继承

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#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public :
    virtual void Fun1()
    {
        cout << "Base::Fun1 ..." << endl;
    }

virtual void Fun2()
    {
        cout << "Base::Fun2 ..." << endl;
    }
    int data1_ ;
};

class Derived : public Base
{
public :
    void Fun2 ()
    {
        cout << "Derived::Fun2 ..." << endl;
    }
    virtual void Fun3()
    {
        cout << "Derived::Fun3 ..." << endl;
    }
    int data2_ ;
};

typedef void (* FUNC)(void );

int main (void)
{
    cout << sizeof (Base) << endl;
    cout << sizeof (Derived) << endl;
    Base b ;
    int **p = (int **)& b;
    FUNC fun = (FUNC) p[0][0];
    fun();
    fun = (FUNC )p[0][1];
    fun();
    cout << endl ;

Derived d ;
    p = (int **)&d;
    fun = (FUNC )p[0][0];
    fun();
    fun = (FUNC )p[0][1];
    fun();
    fun = (FUNC )p[0][2];
    fun();

return 0;
}

从输出的函数体可以画出对象内存模型图：

vtbl：虚函数表（存放虚函数的函数指针）

vptr：虚函数表指针

从输出可以看出，Derived类继承了Base::Fun1，而覆盖了Fun2，此外还有自己的Fun3。注意，因为Fun3是虚函数，才会出现在虚函数表，如果是一般函数是不会的，因为不用通过vptr间接访问。

（二）、钻石继承

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#include <iostream>
using namespace std;

class BB
{
public:
    virtual void vpbb()
    {
        cout << "BB:vpbb().." << endl;
    }
    int bb_;
};
class B1 : public BB
{
public:
    virtual void vpb1()
    {
        cout << "B1:vpb1().." << endl;
    }
    int b1_;
};
class B2 : public BB
{
public:
    virtual void vpb2()
    {
        cout << "B2:vpb2().." << endl;
    }
    int b2_;
};
class DD : public B1, public B2
{
public:
    virtual void vpdd()
    {
        cout << "DD:vpdd().." << endl;
    }
    int dd_;
};

typedef void (* FUNC)(void );

int main()
{
    cout << sizeof(BB) << endl;
    cout << sizeof(B1) << endl;
    cout << sizeof(DD) << endl;
    cout << endl;

DD dd ;
    cout << &dd << endl;
    cout << &dd.B1::bb_ << endl;
    cout << &dd.B2::bb_ << endl;
    cout << &dd .b1_ << endl;
    cout << &dd .b2_ << endl;
    cout << &dd .dd_ << endl;
    cout << endl;

B1 b ;
    int **p = (int **)& b;
    FUNC fun = (FUNC) p[0][0];
    fun();
    fun = (FUNC )p[0][1];
    fun();
    cout << endl ;

p = (int **)&dd
    fun = (FUNC)p[0][0];
    fun();
    fun = (FUNC)p[0][1];
    fun();
    fun = (FUNC)p[0][2];
    fun();

fun = (FUNC)p[3][0];
    fun();
    fun = (FUNC)p[3][1];
    fun();

cout << endl;

return 0;
}

从成员输出的地址和通过虚函数表指针访问到的函数可以画出模型：

DD::vfdd 的位置跟继承的顺序有关，如果DD先继承的是B2，那么它将跟在B2::vfb2 的下面。

如果派生类是从多个基类继承或者有多个继承分支（从所有根类开始算起），而其中若干个继承分支上出现了多态类，则派生类将从这些分支中的每个分支上继承一个vptr，编译器也将为它生成多个vtable，有几个vptr就生成几个vtable（每个vptr分别指向其中一个），分别与它的多态基类对应。

三、虚继承与虚函数同时出现的情况：

C++ Code

#include <iostream>
using namespace std;

class BB
{
public :
      virtual void vfbb()
     {
           cout<<"BB::vfbb" <<endl;
     }
      virtual void vfbb2()
     {
           cout<<"BB::vfbb2" <<endl;
     }
      int bb_ ;
};

class B1 : virtual public BB
{
public :
      virtual void vfb1()
     {
           cout<<"B1::vfb1" <<endl;
     }
      int b1_ ;
};

class B2 : virtual public BB
{
public :
      virtual void vfb2()
     {
           cout<<"B2::vfb2" <<endl;
     }
      int b2_ ;
};

class DD : public B1, public B2
{
public :
      virtual void vfdd()
     {
           cout<<"DD::vfdd" <<endl;
     }
      int dd_ ;
};

typedef void (* FUNC)(void);

int main (void)
{
      cout<<sizeof (BB)<< endl;
      cout<<sizeof (B1)<< endl;
      cout<<sizeof (DD)<< endl;

BB bb ;
      int** p ;
      p = (int **)&bb;
      FUNC fun ;
      fun = (FUNC )p[0][0];
      fun();
      fun = (FUNC )p[0][1];
      fun();
      cout<<endl ;

B1 b1 ;

      p = (int **)&b1;
      fun = (FUNC )p[0][0];
      fun();
      fun = (FUNC )p[3][0];
      fun();
      fun = (FUNC )p[3][1];
      fun();

cout<<p [1][0]<<endl;
cout<<p [1][1]<<endl;
cout<<endl ;

DD dd ;
      p = (int **)&dd;
      fun = (FUNC )p[0][0];
      fun();
      fun = (FUNC )p[0][1]; // DD::vfdd 挂在 B1::vfb1的下面
      fun();
      fun = (FUNC )p[3][0];
      fun();
      fun = (FUNC )p[7][0];
      fun();
      fun = (FUNC )p[7][1];
      fun();

      cout<<p [1][0]<<endl;
      cout<<p [1][1]<<endl;
      cout<<p [4][0]<<endl;
      cout<<p [4][1]<<endl;

return 0;
}

从输出的虚基类表成员数据和虚函数体可以画出对象内存模型图：

上图中vfdd 出现的位置跟继承的顺序有关，如果DD先继承的是B2，那么它将跟在vfb2 的下面。

注意：如果没有虚继承，则虚函数表会合并，一个类只会存在一个虚函数表和一个虚函数表指针(同个类的对象共享），当然也不会有虚基类表和虚基类表指针的存在。

但如果是钻石继承，那么是会存在两份虚函数表和两份虚函数表指针的。

参考：

《深入探索C++对象模型》

C++ primer 第四版
Effective C++ 3rd
C++编程规范

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