C++对象在继承情况下的内存布局

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：

class Derived : public Demo

{

int mk;

};

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：

 #include <iostream>
 #include <string>

 using namespace std;

 class Demo
 {
 protected:
     int mi;
     int mj;
 public:
     virtual void print()
     {
         cout << "mi = " << mi << ", "
              << "mj = " << mj << endl;
     }
 };

 class Derived : public Demo
 {
     int mk;
 public:
     Derived(int i, int j, int k)
     {
         mi = i;
         mj = j;
         mk = k;
     }

     void print()
     {
         cout << "mi = " << mi << ", "
              << "mj = " << mj << ", "
              << "mk = " << mk << endl;
     }
 };

 struct Test
 {
     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；
     int mi;
     int mj;
     int mk;
 };

 int main()
 {
     cout << "sizeof(Demo) = " << sizeof(Demo) << endl; // 8 bytes
     cout << "sizeof(Derived) = " << sizeof(Derived) << endl;  // 12 bytes

     Derived d(, , );
     Test* p = reinterpret_cast<Test*>(&d);

     cout << "Before changing ..." << endl;

     d.print();  // mi = 1, mj = 2, mk = 3；

     /* 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； */
     p->mi = ;
     p->mj = ;
     p->mk = ;

     cout << "After changing ..." << endl;

     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；

     return ;
 }

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：

 #ifndef _51_2_H_
 #define _51_2_H_

 typedef void Demo;
 typedef void Derived;  // C 语言实现继承用 C++ 中的方法，即叠加；

 /* 父类中继承的成员函数 */
 Demo* Demo_Create(int i, int j);
 int Demo_GetI(Demo* pThis);
 int Demo_GetJ(Demo* pThis);
 int Demo_Add(Demo* pThis, int value);  // 虚函数
 void Demo_Free(Demo* pThis);

 /* 子类中新定义的成员函数 */
 Derived* Derived_Create(int i, int j, int k);  // 构造函数；
 int Derived_GetK(Derived* pThis);
 int Derived_Add(Derived* pThis, int value);  // 虚函数

 #endif 

　2，51-2.c 文件：

 #include "51-2.h"
 #include "malloc.h"

 static int Demo_Virtual_Add(Demo* pThis, int value);  // 父类，先在这里声明，实现见第六步；
 static int Derived_Virtual_Add(Demo* pThis, int value);  // 子类 3，声明子类虚函数，实现见下面

 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）
 {
     int (*pAdd)(void*, int);   // 3. 虚函数表里面存储什么？
 };

 /* 父类成员函数 */
 struct ClassDemo
 {
     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；
     int mi;
     int mj;
 };

 /* 子类成员函数 */
 struct ClassDerived
 {
     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；
     int mk;
 };

 /* 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 */
 static struct VTable g_Demo_vtbl =
 {
     Demo_Virtual_Add  // 7，用真正意义上的虚函数来初始化虚函数表指针；
 };

 /* 子类 2 放子类真正意义上的虚函数 */
 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。
 {
     Derived_Virtual_Add
 };

 /* 父类构造函数 */
 Demo* Demo_Create(int i, int j)
 {
     struct ClassDemo* ret = (struct ClassDemo*)malloc(sizeof(struct ClassDemo)); 

     if( ret != NULL )
     {
         ret->vptr = &g_Demo_vtbl;   // 4. 关联对象和虚函数表
         ret->mi = i;
         ret->mj = j;
     }

     return ret;
 }

 /* 父类成员函数 */
 int Demo_GetI(Demo* pThis)
 {
      struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;    

      return obj->mi;
 }

 /* 父类成员函数 */
 int Demo_GetJ(Demo* pThis)
 {
     struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;

     return obj->mj;
 }

 // 6. 定义虚函数表中指针所指向的具体函数
 static int Demo_Virtual_Add(Demo* pThis, int value)
 {
     struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;

     return obj->mi + obj->mj + value;
 }

 /* 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 */
 // 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；
 int Demo_Add(Demo* pThis, int value)
 {
     struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;

     /* 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 */
     return obj->vptr->pAdd(pThis, value);
 }

 /* 父类析构函数 */
 void Demo_Free(Demo* pThis)
 {
     free(pThis);
 }

 /* 子类构造函数 */
 Derived* Derived_Create(int i, int j, int k)
 {
     struct ClassDerived* ret = (struct ClassDerived*)malloc(sizeof(struct ClassDerived));

     if( ret != NULL )
     {
         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；
         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；
         ret->d.mj = j;
         ret->mk = k;
     }

     return ret;
 }

 /* 子类成员函数 */
 int Derived_GetK(Derived* pThis)
 {
     struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis;

     return obj->mk;
 }

 /* 子类成员函数 */
 static int Derived_Virtual_Add(Demo* pThis, int value)
 {
     struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis; 

     return obj->mk + value;
 }

 /* 子类成员函数 */
 int Derived_Add(Derived* pThis, int value)
 {
     struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis;

     return obj->d.vptr->pAdd(pThis, value);
 }

　 3，应用文件：

 #include "stdio.h"
 #include "51-2.h"

 void run(Demo* p, int v)
 {
     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；

     printf("r = %d\n", r);
 }

 int main()
 {
     Demo* pb = Demo_Create(, );
     Derived* pd = Derived_Create(, , );

     printf("pb->add(3) = %d\n", Demo_Add(pb, ));  //
     printf("pd->add(3) = %d\n", Derived_Add(pd, ));  //

     run(pb, );  // 没有实现多态的时候，打印 6；实现多态后，打印 6；
     run(pd, );  // 没有实现多态的时候，打印 26；实现多态后，打印 336；

     Demo_Free(pb);
     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；

     return ;
 }

4，步骤：

1，先实现基本的子类继承和其成员函数基本功能；

2，后实现多态；

5，C 实现 C++ 中的多态（第三个视频这里不是很明白）：

1，子类继承：

1，另外生成结构体，内容由子类叠加父类的结构体内容；

2，子类构造函数：

1，另外写，先在堆上面生成指向结构体的指针，子类调用父类的构造函数是不影响父类原来的构造函数的；

3，多态实现：

1，在对象的结构体中定义虚函数表指针（要考虑虚函数表指针类型）；

2，在虚函数结构体中定义虚函数表数据结构（就是定义一个空的结构体）；

3，在虚函数结构表中存放指向虚函数成员函数的指针；

4，在构造函数中关联具体的对象和虚函数表；

5，分析让那个函数称为真正的虚函数（ static 修饰 ）；

6，定义虚函数表指针所指向的具体函数。

6，小结：

1，继承的本质就是父子间成员变量的叠加；

2，C++ 中的多态是通过虚函数表实现的；

3，虚函数表是由编译器自动生成与维护的；

4，虚函数的调用效率低于普通成员函数；