第C++虛函數(shù)表與類的內(nèi)存分布深入分析理解目錄不可定義為虛函數(shù)的函數(shù)將析構(gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)的作用虛函數(shù)表原理繼承關(guān)系中虛函數(shù)表結(jié)構(gòu)多重繼承的虛函數(shù)表多態(tài)調(diào)用原理對(duì)齊和補(bǔ)齊規(guī)則為什么要有對(duì)齊和補(bǔ)齊資源鏈接

不可定義為虛函數(shù)的函數(shù)

類的靜態(tài)函數(shù)和構(gòu)造函數(shù)不可以定義為虛函數(shù):

靜態(tài)函數(shù)的目的是通過類名+函數(shù)名訪問類的static變量，或者通過對(duì)象調(diào)用staic函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)static成員變量的讀寫，要求內(nèi)存中只有一份數(shù)據(jù)。而虛函數(shù)在子類中重寫，并且通過多態(tài)機(jī)制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)用，在內(nèi)存中需要保存不同的重寫版本。

構(gòu)造函數(shù)的作用是構(gòu)造對(duì)象，而虛函數(shù)的調(diào)用是在對(duì)象已經(jīng)構(gòu)造完成，并且通過調(diào)用時(shí)動(dòng)態(tài)綁定。動(dòng)態(tài)綁定是因?yàn)槊總€(gè)類對(duì)象內(nèi)部都有一個(gè)指針，指向虛函數(shù)表的首地址。而且虛函數(shù)，類的成員函數(shù)，static成員函數(shù)都不是存儲(chǔ)在類對(duì)象中，而是在內(nèi)存中只保留一份。

將析構(gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)的作用

類的構(gòu)造函數(shù)不能定義為虛函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)可以定義為虛函數(shù)，這樣當(dāng)我們delete一個(gè)指向子類對(duì)象的基類指針時(shí)可以達(dá)到調(diào)用子類析構(gòu)函數(shù)的作用，從而動(dòng)態(tài)釋放內(nèi)存。

如下我們先定義一個(gè)基類和子類

classVirtualTableA

public:

virtual~VirtualTableA()

cout"DesturctVirtualTableA"endl;

virtualvoidprint()

cout"printvirtualtableA"endl;

classVirtualTableB:publicVirtualTableA

public:

virtual~VirtualTableB()

cout"DesturctVirtualTableB"endl;

virtualvoidprint();

voidVirtualTableB::print()

cout"thisisvirtualtableB"endl;

}

我們寫一個(gè)函數(shù)做測(cè)試

voiddestructVirtualTable()

VirtualTableA*pa=newVirtualTableB();

useTable(pa);

deletepa;

voiduseTable(VirtualTableA*pa)

//實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)用

pa-print();

}

程序輸出

thisisvirtualtableB

DesturctVirtualTableB

DesturctVirtualTableA

在上面的例子中我們先在destructVirtualTable函數(shù)中new了一個(gè)VirtualTableB類型對(duì)象，并用基類VirtualTableA的指針指向了這個(gè)對(duì)象。

然后將基類指針對(duì)象pa傳遞給useTable函數(shù)，這樣會(huì)根據(jù)多態(tài)原理調(diào)用VirtualTableB的print函數(shù)，然后再執(zhí)行deletepa操作。

此時(shí)如果pa的析構(gòu)函數(shù)不寫成虛函數(shù)，那么就只會(huì)調(diào)用VirtualTableA的析構(gòu)函數(shù)，不會(huì)調(diào)用子類VirtualTableB的析構(gòu)函數(shù)，導(dǎo)致內(nèi)存泄露。

而我們將析構(gòu)函數(shù)寫成虛析構(gòu)之后，可以看到先調(diào)用了子類VirtualTableB的析構(gòu)函數(shù)，再調(diào)用了基類VirtualTableA的析構(gòu)函數(shù)，達(dá)到了釋放子類空間的目的。

有人會(huì)問？將析構(gòu)函數(shù)不寫為虛函數(shù)，直接delete子類對(duì)象VirtualTableB，調(diào)用子類的析構(gòu)函數(shù)不可以嗎？比如，如下的調(diào)用

VirtualTableB*pb=newVirtualTableB();

deletepa;

上述調(diào)用沒有問題，無(wú)論析構(gòu)函數(shù)是否為虛析構(gòu)都可以成功釋放子類空間。但是項(xiàng)目編程中常常會(huì)編寫一些通用接口，比如上面的useTable函數(shù)，

它只接受VirtualTableA類型的指針，所以我們常常會(huì)用基類指針接受子類對(duì)象來通過多態(tài)的方式調(diào)用子類函數(shù)，為了方便delete基類指針也要釋放子類空間，

就要將析構(gòu)函數(shù)設(shè)置為虛函數(shù)。

虛函數(shù)表原理

為了介紹虛函數(shù)表原理，我們先實(shí)現(xiàn)一個(gè)基類和子類

classBaseclass

public:

Baseclass():a(1024){}

virtualvoidf(){cout"Base::f"endl;}

virtualvoidg(){cout"Base::g"endl;}

virtualvoidh(){cout"Base::h"endl;}

inta;

//01234567(虛函數(shù)表空間)89101112131415(存儲(chǔ)的是a)

classDeriveClass:publicBaseclass

public:

virtualvoidf(){cout"Derive::f"endl;}

virtualvoidg2(){cout"Derive::g2"endl;}

virtualvoidh3(){cout"Derive::h3"endl;}

};

一個(gè)類對(duì)象其內(nèi)存分布的基本結(jié)構(gòu)為虛函數(shù)表地址+非靜態(tài)成員變量，類的成員函數(shù)不占用類對(duì)象的空間，他們分布在一片屬于類的共有區(qū)域。

類的靜態(tài)成員函數(shù)喝成員變量不占用類對(duì)象的空間，他們分配在靜態(tài)區(qū)。

虛函數(shù)表的地址存儲(chǔ)在類對(duì)象的起始位置。所以我們利用這個(gè)原理，通過尋址的方式訪問虛函數(shù)表里的函數(shù)

voiduseVitualTable()

Baseclassb;

b.a=1024;

cout"sizeofbis"sizeof(b)endl;

int*p=(int*)(

cout"pointeraddressofvituraltable"pendl;

cout"addressofbis"bendl;

cout"addressofais"p+2endl;

cout"addressofp+1is"p+1endl;

cout"valueofais"*(p+2)endl;

cout"addressofvituraltable"(int*)(*p)endl;

cout"sizeofintis"sizeof(int)endl;

cout"sizeofpis"sizeof(p)"sizeof(int*)is"sizeof(int*)endl;

FuncpFun=(Func)(*(int*)(*p));

pFun();

pFun=(Func)*((int*)(*p)+2);

pFun();

pFun=(Func)(*((int*)(*p)+4));

pFun();

}

上面的程序輸出

sizeofbis16

pointeraddressofvituraltable0xb6fdd0

addressofbis0xb6fdd0

addressofais0xb6fdd8

addressofp+1is0xb6fdd4

valueofais1024

addressofvituraltable0x46d890

sizeofintis4

sizeofpis8sizeof(int*)is8

Base::f

Base::g

Base::h

可以看到b的大小為16字節(jié)，因?yàn)槲业臋C(jī)器是64位的，所以指針類型都占用8字節(jié)，int占用4字節(jié)，但是要遵循補(bǔ)齊原則，結(jié)構(gòu)體的大小要為最大成員大小的整數(shù)倍，所以要補(bǔ)齊4字節(jié)，那么8+4+4=16字節(jié)，關(guān)于類對(duì)象對(duì)齊和補(bǔ)齊原則稍后再詳述。

b的內(nèi)存分布如下圖

這個(gè)根據(jù)不同的機(jī)器所占的字節(jié)數(shù)不一樣，在32位機(jī)器上int為4字節(jié)，虛函數(shù)表地址為4字節(jié)，4+4=8字節(jié)，這個(gè)再之后再說明對(duì)齊和補(bǔ)齊的原則。

b表示取b的地址，因?yàn)樘摵瘮?shù)表地址存儲(chǔ)在b的起始地址，所以b也是虛函數(shù)表的地址的地址，我們通過int*強(qiáng)轉(zhuǎn)是方便存儲(chǔ)b的地址，因?yàn)?4位機(jī)器指針都是8字節(jié)，32位機(jī)器指針是4字節(jié)。

p為虛函數(shù)表的地址的地址，p+1具體移動(dòng)了4個(gè)字節(jié)，因?yàn)閜+1移動(dòng)多少個(gè)字節(jié)取決于p所指向的數(shù)據(jù)類型int,int為4字節(jié)，所以p+1在p的地址移動(dòng)四個(gè)字節(jié)，p+2在p的地址移動(dòng)8個(gè)字節(jié)。

p只想虛函數(shù)表的地址，換句話說p存儲(chǔ)的是虛函數(shù)表的地址，虛函數(shù)表地址占用8字節(jié)，p+2就是從p向后移動(dòng)8字節(jié)，這樣剛好找到a的地址。

那么*(p+2)就是取a的數(shù)值。

int*(*p)就是取虛函數(shù)表的地址，轉(zhuǎn)為int*是方便讀寫。

我們將b的內(nèi)存分布以及虛函數(shù)表結(jié)構(gòu)畫出來

上圖中可以看到虛函數(shù)表中存儲(chǔ)的是虛函數(shù)的地址，所以通過不斷位移虛函數(shù)表的指針就可以達(dá)到指向不同虛函數(shù)的目的。

FuncpFun=(Func)(*(int*)(*p));

pFun();

*(int*)(*p)就是取出虛函數(shù)表首地址指向的虛函數(shù)，再通過Func轉(zhuǎn)化為函數(shù)類型，然后調(diào)用pFun即可調(diào)用虛函數(shù)f。

所以想調(diào)用第二個(gè)虛函數(shù)g，將(int*)(*p)加2位移8個(gè)字節(jié)即可

pFun=(Func)*((int*)(*p)+2);

pFun();

同樣的道理調(diào)用h就不贅述了。

繼承關(guān)系中虛函數(shù)表結(jié)構(gòu)

DeriveClass繼承了BaseTest類，子類如果重寫了虛函數(shù)，則子類的虛函數(shù)表中存儲(chǔ)的虛函數(shù)為子類重寫的，否則為基類的。

我們畫一下DeriveClass的虛函數(shù)表結(jié)構(gòu)

因?yàn)楹瘮?shù)f被DeriveClass重寫，所以DeriveClass的虛函數(shù)表存儲(chǔ)的是自己重寫的f。

而虛函數(shù)g和h沒有被DeriveClass重寫，所以DeriveClass虛函數(shù)表存儲(chǔ)的是基類的g和h。

另外DeriveClass虛函數(shù)表里也存儲(chǔ)了自己特有的虛函數(shù)g2和h3.

下面我們還是利用尋址的方式調(diào)用虛函數(shù)

voidderiveTable()

DeriveClassd;

int*p=(int*)(

int*virtual_tableb=(int*)(*p);

FuncpFun=(Func)(*(virtual_tableb));

pFun();

pFun=(Func)(*(virtual_tableb+2));

pFun();

pFun=(Func)(*(virtual_tableb+4));

pFun();

pFun=(Func)(*(virtual_tableb+6));

pFun();

pFun=(Func)(*(virtual_tableb+8));

pFun();

程序輸出

Derive::f

Base::g

Base::h

Derive::g2

Derive::h3

可見DeriveClass虛函數(shù)表里存儲(chǔ)的f是DeriveClass的f。

(int*)(*p)表述取出p所指向的內(nèi)存空間的內(nèi)容，p指向的正好是虛函數(shù)表的地址，所以*p就是虛函數(shù)表的地址。

因?yàn)槲覀儾恢捞摵瘮?shù)表的具體類型，所以轉(zhuǎn)為int*類型，因?yàn)橹羔樤?4位機(jī)器上都是8字節(jié)，可以保證空間大小正確。

接下來就是尋址和函數(shù)調(diào)用的過程，這里不再贅述。

多重繼承的虛函數(shù)表

上面的例子我們知道，如果類有虛函數(shù)，那么編譯器會(huì)為該類的實(shí)例分配8字節(jié)存儲(chǔ)虛函數(shù)表的地址。

所有繼承該類的子類也會(huì)擁有8字節(jié)的空間存儲(chǔ)自己的虛函數(shù)表地址。

多重繼承的情況就是類對(duì)象空間里存儲(chǔ)多張?zhí)摵瘮?shù)表地址。子類繼承于兩個(gè)基類，并且基類都有虛函數(shù)，那么子類就有兩張?zhí)摵瘮?shù)表。

多態(tài)調(diào)用原理

當(dāng)我們通過基類指針存儲(chǔ)子類對(duì)象時(shí)，調(diào)用虛函數(shù)，會(huì)調(diào)用子類的實(shí)現(xiàn)版本，這叫做多態(tài)。

通過前面的實(shí)驗(yàn)和圖示，我們已經(jīng)知道如果子類重寫了基類的虛函數(shù)，那么他自己的虛函數(shù)表里存儲(chǔ)的就是自己實(shí)現(xiàn)的版本。

通過基類指針存儲(chǔ)子類對(duì)象時(shí)，基類指針實(shí)際指向的是子類的空間，尋址也是找到子類的虛函數(shù)表，從虛函數(shù)表中找到子類實(shí)現(xiàn)的虛函數(shù)，

然后調(diào)用子類版本，從而達(dá)到多態(tài)效果。

對(duì)齊和補(bǔ)齊規(guī)則

在考察一個(gè)類對(duì)象所占空間時(shí)，虛函數(shù)、成員函數(shù)（包括靜態(tài)與非靜態(tài)）和靜態(tài)數(shù)據(jù)成員都是不占用類對(duì)象的存儲(chǔ)空間的。對(duì)象大小=vptr(虛函數(shù)表指針，可能不止一個(gè))+所有非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員大小+Aligin字節(jié)大?。ㄒ蕾囉诓煌木幾g器對(duì)齊和補(bǔ)齊）

對(duì)齊：類(結(jié)構(gòu)體)對(duì)象每個(gè)成員分配內(nèi)存的起始地址為其所占空間的整數(shù)倍。

補(bǔ)齊：類(結(jié)構(gòu)體)對(duì)象所占用的總大小為其內(nèi)部最大成員所占空間的整數(shù)倍。

下面我們先定義幾個(gè)類

namespaceAligneTest

classA

classB

charch;

voidfunc()

classC

charch1;//占用1字節(jié)

charch2;//占用1字節(jié)

virtualvoidfunc()

classD

intin;

virtualvoidfunc()

classE

charm;

intin;

}

然后通過代碼測(cè)試他們的大小

externvoidaligneTest()

AligneTest::Aa;

AligneTest::Bb;

AligneTest::Cc;

AligneTest::Dd;

AligneTest::Ee;

cout"sizeof(a):"sizeof(a)endl;

cout"sizeof(b):"sizeof(b)endl;

cout"sizeof(c):"sizeof(c)endl;

cout"sizeof(d):"sizeof(d)endl;

cout"sizeof(e):"sizeof(e)endl;

}

程序輸出

sizeof(a):1

sizeof(b):1

sizeof(c):16

sizeof(d):16

sizeof(e):8

我們分別對(duì)每個(gè)類的大小做解釋

a是A的對(duì)象，A是一個(gè)空類，編譯器為了區(qū)分不同的空類，所以為每個(gè)空類對(duì)象分配1字節(jié)的空間保存其信息，用來區(qū)別不同類對(duì)象。

b是B的對(duì)象，因?yàn)锽中定義了一個(gè)char成員變量和func函數(shù)，func函數(shù)不占用空間，所以b的大小為char的大小，也就是1字節(jié)。

c是C的對(duì)象，因?yàn)镃中包含虛函數(shù)，所以C的對(duì)象c中會(huì)分配8字節(jié)用來存儲(chǔ)虛函數(shù)表，虛函數(shù)表放在c內(nèi)存的首地址，然后是ch1，

以及ch2。假設(shè)c的起始地址為0，那么0~7字節(jié)存儲(chǔ)虛函數(shù)表地址，第8個(gè)字節(jié)是1的整數(shù)倍，所以不同對(duì)齊，第8個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)ch1。

第9個(gè)字節(jié)是1的整數(shù)倍，所以第9個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)ch2。那么c的大小為8+2=10,因?yàn)檠a(bǔ)齊規(guī)則要求c的大小為最大成員大小的整數(shù)

倍，最大成員為虛函數(shù)表地址8字節(jié)，所以要補(bǔ)齊6個(gè)字節(jié)，10+6=16，所以c的大小為16字節(jié)。

其內(nèi)存分配如下圖

d是D的對(duì)象，因?yàn)镈中包含虛函數(shù)，所以D的對(duì)象d中會(huì)分配8字節(jié)空間存儲(chǔ)虛函數(shù)表地址，比如0~7字節(jié)存儲(chǔ)虛函數(shù)表地址，接下來第8個(gè)字節(jié)，

因?yàn)閕nt為4字節(jié)，8是4的整數(shù)倍，所以不需要對(duì)齊，第8~11字節(jié)存儲(chǔ)in，這樣d的大小變?yōu)?+4=12,因?yàn)楦鶕?jù)補(bǔ)齊規(guī)則需要補(bǔ)齊4字節(jié)，總共