c++對象內存佈局示例詳解
前言
瞭解你所使用的編程語言究竟是如何實現的,對於C++程序員可能特別有意義。首先,它可以去除我們對於所使用語言的神秘感,使我們不至於對於編譯器幹的活感到完全不可思議;尤其重要的是,它使我們在Debug和使用語言高級特性的時候,有更多的把握。當需要提高代碼效率的時候,這些知識也能夠很好地幫助我們。
簡單非多態的內存佈局
class X { int x; float xx; public: X() {} ~X() {} void printInt() {} void printFloat() {} };
| | |------------------------| <------ X class object memory layout | int X::x | |------------------------| stack segment | float X::xx | | |------------------------| | | | \|/ | | | | ------|------------------------|---------------- | X::X() | |------------------------| | | X::~X() | | |------------------------| \|/ | X::printInt() | text segment |------------------------| | X::printFloat() | |------------------------| | |
在本示例中
- 隻有數據成員存儲在堆棧中,且其聲明順序或者存儲順序的行為與編譯器強相關
- 所有其他方法(構造函數,析構函數和編譯器擴展代碼)都進存儲在文本段。然後,這些方法將被調用並隱式地在調用對象的第一個參數中傳遞該指針。
this指針是一個隱含於每一個成員函數中的特殊指針。它是一個指向正在被該成員函數操作的對象,也就是要操作該成員函數的對象。this作用域是在類內部,當對一個對象調用成員函數時,編譯程序先將對象的地址賦給this指針,編譯器會自動將對象本身的地址作為一個隱含參數傳遞給函數。也就是說,即使你沒有寫this指針,編譯器在編譯的時候也是加上this的,它作為非靜態成員函數的隱含形參。被調用的成員函數函數體內所有對類成員的訪問,都會被轉化為“this->類成員”的方式。
針對第二點,我們類似於:
A x; x.printInt();
其中,X::printInt()這個行為,在編譯器中,將處理為
printInt(const X* this)
那麼,x.printInt()調用處理將最終成為
printInt(&x);
同時具有虛函數和靜態數據成員的內存佈局
class X { int x; float xx; static int count; public: X() {} virtual ~X() {} virtual void printAll() {} void printInt() {} void printFloat() {} static void printCount() {} };
其內存佈局如下
| | |------------------------| <------ 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() | |------------------------| | |
- 所有非靜態數據成員都按照聲明的順序將空間放入堆棧中,與前面的示例順序相同。
- 靜態數據成員將空間放入內存的數據段中。使用范圍解析運算符(即::)進行的訪問。但是在編譯之後,就沒有像作用域和名稱空間那樣的東西瞭。因為,它的名稱隻是由編譯器執行,所以所有內容都由其絕對或相對地址引用。
- 靜態數據成員將空間放入內存的數據段中。使用范圍解析運算符(即::)進行的訪問。
- 靜態方法進入文本段,並通過作用域解析運算符進行調用。
- 對於virtual關鍵字,編譯器會自動將指向虛擬表的指針(vptr)插入對象內存表示中。通常,虛擬表是在數據段中為每個類靜態創建的,但它也取決於編譯器的實現。
- 在虛擬表中,第一個條目指向type_info對象,該對象包含與當前基類和其他基類的DAG(有向無環圖)相關的信息(如果從這些基類派生的信息)。
繼承對象的內存佈局
class X { int x; string str; public: X() {} virtual ~X() {} virtual void printAll() {} }; class Y : public X { int y; public: Y() {} ~Y() {} void printAll() {} };
其內存佈局信息如下
| | |------------------------------| <------ 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 | | |
- 在繼承模型中,基類和數據成員類是派生類的子對象。
- 編譯器會在類的構造函數中生成具有所有重寫的虛擬功能和為_vptr分配虛擬表的代碼的虛擬表。
具有多重繼承和虛擬功能的對象的內存佈局
class X { public: int x; virtual ~X() {} virtual void printX() {} }; class Y { public: int y; virtual ~Y() {} virtual void printY() {} }; class Z : public X, public Y { public: int z; ~Z() {} void printX() {} void printY() {} void printZ() {} };
內存佈局如下
| | |------------------------------| <------ Z class object memory layout stack | int X::x | | |------------------------------| |--------------------------| | | X:: _vptr |----------------->| type_info Z | | |------------------------------| |--------------------------| \|/ | int Y::y | | address of Z::~Z() | |------------------------------| |--------------------------| | Y:: _vptr |------| | address of Z::printX() | |------------------------------| | |--------------------------| | int Z::z | | |--------GUARD_AREA--------| |------------------------------| | |--------------------------| | o | |---------->| type_info Z | | o | |--------------------------| | o | | address of Z::~Z() | | | |--------------------------| ------|------------------------------|--------- | address of Z::printY() | | X::~X() | | |--------------------------| |------------------------------| | | X::printX() | | |------------------------------| | | Y::~Y() | \|/ |------------------------------| text segment | Y::printY() | |------------------------------| | Z::~Z() | |------------------------------| | Z::printX() | |------------------------------| | Z::printY() | |------------------------------| | Z::printZ() | |------------------------------| | o | | o | | |
在多繼承層次結構中,創建的虛擬表指針(vptr)的確切數目將為N-1,其中N代表類的數目。
如果嘗試使用任何基類指針調用Z類的方法,則它將使用相應的虛擬表進行調用。如下例子所示:
Y *y_ptr = new Z; y_ptr->printY(); // OK y_ptr->printZ(); // Not OK, as virtual table of class Y doesn't have address of printZ() method
在上面的代碼中,y_ptr將指向完整Z對象內類Y的子對象。
結果,調用任何方法,例如使用y_ptr-> printY()。 使用y_ptr的解析方式如下:
( *y_ptr->_vtbl[ 2 ] )( y_ptr )
虛繼承內存佈局
class X { int x; }; class Y : public virtual X { int y; }; class Z : public virtual X { int z; }; class A : public Y, public Z { int a; };
其佈局如下:
| | Y class ------> |----------------| <------ A class object memory layout sub-object | Y::y | |----------------| |------------------| | Y::_vptr_Y |------| | offset of X | // offset(20) starts from Y Z class ------> |----------------| |----> |------------------| sub-object | Z::z | | ..... | |----------------| |------------------| | Z::_vptr_Z |------| |----------------| | A sub-object --> | A::a | | |------------------| |----------------| | | offset of X | // offset(12) starts from Z X class -------> | X::x | |----> |------------------| shared |----------------| | ..... | sub-object | | |------------------|
- 具有一個或多個虛擬基類的派生類的內存表示形式分為兩個區域:不變區域和共享區域。
- 不變區域內的數據與對象的起始位置保持固定的偏移量,而與後續派生無關。
- 共享區域包含虛擬基類,並且隨後續派生和派生順序而波動。
總結
瞭解內存佈局,對我們的項目開發會提供很大的便利,比如對coredump的調試
到此這篇關於c++對象內存佈局的文章就介紹到這瞭,更多相關c++對象內存佈局內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet!