C++語言學習（十三）——C++對象模型分析

C++語言學習（十三）——C++對象模型分析

一、C++對象模型分析

1、類對象模型的內存布局

class是一種特殊的struct，class與struct遵循相同的內存對齊原則，class中的成員函數與成員變量是分開存放的，每個對象擁有獨立的成員變量，所有的對象共享類中的成員函數。
運行時，類對象退化為結構體的形式：
A、所有成員變量在內存中依次排布
B、由于內存對齊的存在，成員變量間可能存在內存間隙
C、可以通過內存地址訪問成員變量
D、訪問權限關鍵字在運行時失效

#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
    int i;
    int j;
    char c;
    double d;
public:
    void print()
    {
        cout << "i = " << i << ", "
             << "j = " << j << ", "
             << "c = " << c << ", "
             << "d = " << d << endl;
    }
};

struct B
{
    int i;
    int j;
    char c;
    double d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    A a;
    //64 bit machine
    cout << "sizeof(A) = " << sizeof(A) << endl;    // 24
    cout << "sizeof(a) = " << sizeof(a) << endl;    // 24
    cout << "sizeof(B) = " << sizeof(B) << endl;    // 24

    a.print();

    B* p = reinterpret_cast<B*>(&a);

    p->i = 1;
    p->j = 2;
    p->c = 'c';
    p->d = 3.14;
    a.print();

    return 0;
}

上述代碼中，class A對象與struct B對象在內存中的排布相同。

2、派生類類對象模型

子類是由父類成員疊加子類成員得到的。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
protected:
    int m_i;
    int m_j;
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child(int i, int j, double d)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
        m_d = d;
    }
    void print()
    {
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
private:
    double m_d;
};

struct Test
{
    int i;
    int j;
    double d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    cout << sizeof(Parent) << endl;//8
    cout << sizeof(Child) << endl;//16
    Child child(1,2,3.14);
    child.print();
    Test* test = reinterpret_cast<Test*>(&child);
    cout << "i = " << test->i << endl;
    cout << "j = " << test->j << endl;
    cout << "d = " << test->d << endl;

    test->i = 100;
    test->j = 200;
    test->d = 3.1415;
    child.print();
    return 0;
}

二、C++多態的實現機制

1、C++多態的實現簡介

當類中聲明虛函數時，C++編譯器會在類中生成一個虛函數表。虛函數表是一個用于存儲virtual成員函數地址的數據結構。虛函數表由編譯器自動生成與維護，virtual成員函數會被編譯器放入虛函數表中。存在虛函數時，每個對象中都有一個指向類的虛函數表的指針。
由于對象調用虛函數時會查詢虛函數表，因此虛函數的調用效率比普通成員函數低。
當創建類對象時，如果類中存在虛函數，編譯器會在類對象中增加一個指向虛函數表的指針。父類對象中虛函數表存儲的是父類的虛函數，子類對象中虛函數表存儲的是子類對象的虛函數。虛函數表指針存儲在類對象存儲空間的開始的前4（8）個字節。

2、虛函數表

如果一個類包含虛函數，其類包含一個虛函數表。
如果一個基類包含虛函數，基類會包含一個虛函數表，其派生類也會包含一個自己的虛函數表。
虛函數表是一個函數指針數組，其數組元素是虛函數的函數指針，每個元素對應一個虛函數的函數指針。非虛成員函數的調用并不需要經過虛函數表，所以虛函數表的元素并不包括非虛成員函數的函數指針。?
虛函數表中虛函數指針的賦值發生在編譯器的編譯階段，即在代碼編譯階段虛函數表就生成。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent(int i, int j)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j;
        cout <<ret << endl;
        return ret;
    }
    virtual void display()
    {
        cout << "Parent::display()" << endl;
    }
protected:
    int m_i;
    int m_j;
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child(int i, int j, double d):Parent(i, j)
    {
        m_d = d;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Child::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "Child::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j + m_d;
        cout << ret << endl;
        return ret;
    }
private:
    void display()
    {
        cout << "Child::display()" << endl;
    }
private:
    double m_d;
};

struct Test
{
    void* vptr;
    int i;
    int j;
    double d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    cout << sizeof(Parent) << endl;//12
    cout << sizeof(Child) << endl;//24
    Child child(1,2,3.14);
    Test* test = reinterpret_cast<Test*>(&child);
    cout << "virtual Function Table Pointer:" << endl;
    cout << "vptr = " << test->vptr << endl;
    //虛函數表指針位于類對象的前4字節
    cout << "child Object address: " << &child << endl;
    cout << "Member Variables Address: " << endl;
    cout << "&vptr = " << &test->vptr << endl;
    cout << "&i = " << &test->i << endl;
    cout << "&j = " << &test->j << endl;
    cout << "&d = " << &test->d << endl;

    //函數指針方式訪問類的虛函數
    cout << "Virtual Function Table: " << endl;
    cout << "Virtual print Function Address: " << endl;
    cout << (long*)(*((long *)(*((long *)&child)) + 0)) <<endl;
    cout << "Virtual sum Function Address: " << endl;
    cout << (long*)(*((long *)(*((long *)&child)) + 1)) <<endl;
    cout << "Virtual display Function Address: " << endl;
    cout << (long*)(*((long *)(*((long *)&child)) + 2)) <<endl;
    typedef void (*pPrint)();
    pPrint print = (pPrint)(*((long *)(*((long *)&child)) + 0));
    print();

    typedef double (*pSum)(void);
    pSum sum = (pSum)(*((long *)(*((long *)&child)) + 1));
    sum();

    typedef void (*pDisplay)(void);
    pDisplay display = (pDisplay)(*((long *)(*((long *)&child)) + 2));
    display();
    return 0;
}

上述代碼中，通過類對象的虛函數表指針可以訪問類的虛函數表，虛函數表順序存儲了類的虛函數的函數地址，通過函數指針的方式可以調用類的虛函數，包括聲明為private的虛函數。但由于使用函數指針方式訪問類的虛函數時，類的虛函數在執行過程中其this指針指向的對象是不確定的，因此訪問到的類對象的成員變量的值是垃圾值。

3、虛函數表指針

虛函數表屬于類，而不是屬于某個具體的類對象，一個類只需要一個虛函數表。同一個類的所有對象都使用類的唯一虛函數表。?為了指定類對象的虛函數表，類對象內部包含一個指向虛函數表的指針，指向類的虛函數表。為了讓每個類對象都擁有一個虛函數表指針，編譯器在類中添加了一個指針*__vptr，用來指向虛函數表。當類對象在創建時便擁有__vptr指針，且__vptr指針的值會自動被設置為指向類的虛函數表。

class Parent
{
public:
    Parent(int i, int j)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j;
        cout <<ret << endl;
        return ret;
    }
    virtual void display()
    {
        cout << "Parent::display()" << endl;
    }
    int add(int value)
    {
        return m_i + m_j + value;
    }
protected:
    void func()
    {

    }
protected:
    int m_i;
    int m_j;
};

上述代碼中，類的虛函數表如下：
類Parent對象的內存布局中，虛函數表指針位于類對象存儲空間的開頭，其值0X409004是類Parent的虛函數表的首地址，虛函數表中的第一個數組元素是虛函數Parent::print的地址，第二個數組元素是虛函數Parent::sum，第三個數組元素是虛函數Parent::display，非虛函數不在虛函數表中。

4、類對象的內存布局

對于含有虛函數的類，虛函數表指針位于類對象內存布局的開始位置，然后依次排列類繼承自父類的成員變量，最后依次排列類自身的非靜態成員變量。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent(int i, int j)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j;
        cout <<ret << endl;
        return ret;
    }
    virtual void display()
    {
        cout << "Parent::display()" << endl;
    }
    int add(int value)
    {
        return m_i + m_j + value;
    }
protected:
    void func()
    {

    }
protected:
    int m_i;
    int m_j;
    static int m_count;
};
int Parent::m_count  = 0;

class ChildA : public Parent
{
public:
    ChildA(int i, int j, double d):Parent(i, j)
    {
        m_d = d;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "ChildA::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "ChildA::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j + m_d;
        cout << ret << endl;
        return ret;
    }
private:
    void display()
    {
        cout << "ChildA::display()" << endl;
    }
private:
    double m_d;
};

class ChildB : public Parent
{
public:
    ChildB(int i, int j, double d):Parent(i, j)
    {
        m_d = d;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "ChildB::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
    virtual double sum()
    {
        cout << "ChildB::" << __func__<< endl;
        double ret = m_i + m_j + m_d;
        cout << ret << endl;
        return ret;
    }
private:
    void display()
    {
        cout << "ChildB::display()" << endl;
    }
private:
    double m_d;
};

struct ParentTest
{
    void* vptr;
    int i;
    int j;
};

struct ChildTest
{
    void* vptr;
    int i;
    int j;
    double d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    cout << sizeof(Parent) << endl;//12
    cout << sizeof(ChildA) << endl;//24
    cout << endl;
    cout << "Parent..." <<endl;
    Parent parent(1,2);
    ParentTest* parenttest = reinterpret_cast<ParentTest*>(&parent);
    cout << "Member Variable Value:"<< endl;
    //虛函數表的首地址
    cout << parenttest->vptr << endl;//編譯時確定
    cout << parenttest->i << endl;//1
    cout << parenttest->j << endl;//2
    cout << "Member Variable Address:" << endl;
    cout << &parenttest->vptr << endl;
    cout << &parenttest->i << endl;
    cout << &parenttest->j << endl;
    cout << endl;
    cout << "Child..." << endl;
    ChildA child(1,2,3.14);
    ChildTest* childtest = reinterpret_cast<ChildTest*>(&child);
    cout << "Member Variable Value:"<< endl;
    //虛函數表的首地址
    cout << childtest->vptr << endl;//編譯時確定
    cout << childtest->i << endl;//1
    cout << childtest->j << endl;//2
    cout << childtest->d << endl;//3.14
    cout << "Member Variable Address:" << endl;
    cout << &childtest->vptr << endl;
    cout << &childtest->i << endl;
    cout << &childtest->j << endl;
    cout << &childtest->d << endl;

    return 0;
}

5、動態綁定的實現

Parent、ChildA、ChildB三個類都有虛函數，C++編譯器編譯時會為每個類都創建一個虛函數表，即類Parent的虛函數表（Parent vtbl），類ChildA的虛函數表（ChildA vtbl），類ChildB的虛表（ChildB vtbl）。類Parent、ChildA、ChildB的對象都擁有一個虛函數表指針*vptr，用來指向自己所屬類的虛函數表。?
類Parent包括三個虛函數，Parent類的虛函數表包含三個指針，分別指向Parent::print()、Parent::sum()、Parent::display()三個虛函數函數。?
類ChildA繼承于類Parent，因此類ChildA可以調用父類Parent的函數，但類ChildA重寫Parent::print()、Parent::sum()、Parent::display()三個虛函數，因此類ChildA 虛函數表的三個函數指針分別指向ChildA::print()、ChildA::sum()、ChildA::display()。?
類ChildB繼承于類Parent，因此類ChildB可以調用類Parent的函數，但由于類ChildB重寫Parent::print()、Parent::sum()函數，類ChildB虛函數表有三個函數指針，第一個函數指針指向Parent::display()虛函數，第二個第三個依次指向ChildB::print()、ChildB::sum()虛函數。?

ChildA childA;
Parent* p = &childA;

當定義一個ChildA類的對象childA時，childA對象包含一個虛函數表指針，指向ChildA類的虛函數表。
當定義一個Parent類的指針p指向childA對象時，p指針只能指向ChildA對象的父類Parent部分，但由于虛函數表指針位于對象存儲空間的開始，因此p指針可以訪問childA對象的虛函數表指針。由于childA對象的虛函數表指針指向ChildA類的虛函數表，因此p指針可以訪問類ChildA的虛函數表。
當使用指針調用print函數，程序在執行p->print()時，會發現p是個指針，且調用的函數是虛函數。?
首先，根據虛函數表指針p->vptr來訪問對象childA對應的虛函數表。
然后，在虛函數表中查找所調用的虛函數對應的條目。由于虛函數表在編譯階段就生成，所以可以根據所調用的函數定位到虛函數表中的對應條目。對于 p->print()的調用，類ChildA虛函數表的第一項即是print函數指針對應的條目。?
最后，根據虛函數表中找到的函數指針，調用函數ChildA::print()。

Parent base;
Parent* p = &base;
p->print();

當base對象在創建時，base對象的虛函數表指針vptr已設置為指向Parent類的虛函數表，p->vptr指向Parent虛函數表。print在Parent虛函數表中相應的條目指向Parent::print()函數，所以 p->print()會調用Parent::print()函數。
虛函數的調用的三個步驟用表達式(*(p->vptr)[n])(p)可以概括。

6、函數指針實現多態

#include <iostream>

using namespace std;

typedef void (*vfunc)();

class Parent
{
public:
    vfunc print;
    Parent()
    {
        print = Parent::display;
    }
    static void display()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
    }
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child()
    {
        print = Child::display;
    }
    static void display()
    {
        cout << "Child::" << __func__<< endl;

    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Parent parent;
    parent.print();
    Child child;
    child.print();
    Parent* p = &child;
    p->print();

    return 0;
}

// output:
// Parent::display
// Child::display
// Child::display

上述代碼使用函數指針實現了多態，繞過了虛函數表，避免了虛函數表的性能損失。

三、虛函數經典問題

1、構造函數不能為虛函數

由于在構造函數執行完后，類對象的虛函數表指針才被正確初始化。因此構造函數不能為虛函數。類對象中的虛函數表指針是在調用構造函數的時候完成初始化的。因此，在構造函數調用前，虛函數表指針還沒有完成初始化，無法調用虛的構造函數。
在構造函數進入函數體前，進行虛函數表指針的初始化，將虛函數表指針初始化為當前類的虛函數表地址，即在基類調用構造函數的時候，會把基類的虛函數表地址賦值給虛函數表指針，而如果進執行到子類的構造函數時，把子類的虛函數表地址賦值給虛函數表指針。因此，在派生類對象的構造時，虛函數表指針指向的虛函數表地址是動態變化的。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent(int i, int j)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
        cout << "Parent(int i, int j): " << this << endl;
        //虛函數表指針
        int* vptr = (int*)*((int*)this);
        cout << "vptr: " << vptr << endl;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
    }
    virtual ~Parent()
    {
        cout << "~Parent(): " << this << endl;
    }
protected:
    int m_i;
    int m_j;
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child(int i, int j, double d):Parent(i, j)
    {
        m_d = d;
        cout << "Child(int i, int j, double d): " << this << endl;
        //虛函數表指針
        int* vptr = (int*)*((int*)this);
        cout << "vptr: " << vptr << endl;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Child::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
    ~Child()
    {
        cout << "~Child(): " << this <<endl;
    }
private:
    double m_d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Parent* p = new Child(1,2,3.14);
    p->print();
    delete p;
    return 0;
}

2、析構函數中可以為虛函數

析構函數可以為虛函數，可以發生多態。工程實踐中，如果基類中有虛成員函數，建議將析構函數聲明為虛函數，確保對象銷毀時觸發正確的析構函數調用，保證資源的正確回收。

#include <iostream>

using namespace std;

class Parent
{
public:
    Parent(int i, int j)
    {
        m_i = i;
        m_j = j;
        cout << "Parent(int i, int j)" << endl;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Parent::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
    }
    virtual ~Parent()
    {
        cout << "~Parent()" << endl;
    }
protected:
    int m_i;
    int m_j;
};

class Child : public Parent
{
public:
    Child(int i, int j, double d):Parent(i, j)
    {
        m_d = d;
        cout << "Child(int i, int j, double d)" << endl;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Child::" << __func__<< endl;
        cout << "m_i = "<< m_i << endl;
        cout << "m_j = "<< m_j << endl;
        cout << "m_d = "<< m_d << endl;
    }
    ~Child()
    {
        cout << "~Child()" <<endl;
    }
private:
    double m_d;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Parent* p = new Child(1,2,3.14);
    p->print();
    delete p;
    return 0;
}

3、構造函數內不能發生多態行為

在調用基類的構造函數時，其虛函數表指針指向的是基類的虛函數表，而在調用派生類的構造函數時，其虛函數表指針指向的是派生類的虛函數表。因此，構造函數內不能發生多態行為。

4、析構函數內不能發生多態行為

在調用派生類的析構函數時，其虛函數表指針指向的是派生類的虛函數表；在調用基類的析構函數時，其虛函數表指針指向的是基類的虛函數表，并且派生類的虛函數表已經被銷毀。