C++ 对象的内存模型 | 路易零世的博客

发布日期: 2023-11-14

更新日期: 2023-11-14

一般对象和子类对象

说明

一般对象的内存中仅包含其成员变量而不包含成员函数，子类对象中包括父类的成员变量和子类自己的成员变量。

代码验证

// SampleClass.h
class SampleClass
{
public:
	int getNum()const;
	int pnum;
private:
	int num;
};

class SampleClassExtend : public SampleClass
{
public:
	int getExNum()const;
	int expnum;
private:
	int exnum;
};

// main.cpp
#include "SampleClass.h"

#include <iostream>

int main() {
	SampleClass sc;
	SampleClassExtend sce;
	std::cout << sizeof(sc) << std::endl;
	std::cout << sizeof(sce) << std::endl;
	return 0;
}

控制台输出：

8

16

父类对象有2个整型成员变量，因此占4 * 2 = 8个字节。子类对象也包含2个整型成员变量，共占用4 * 2 + 8 = 16个字节。

有虚函数的类对象及其子类对象，以及覆盖了父类的虚函数的子类对象

说明

虚函数的实现要通过虚函数表，因此有虚函数的类对象应当包含一个虚函数表指针（在64位操作系统上是8字节）。同理，其子类也包括一个虚函数表指针。

虚函数表的特征如下

若子类没有覆盖父类的虚函数，则子类和父类共用同一个虚函数表。
若子类覆盖了任意一个父类的虚函数，或者子类定义了新的虚函数，那么子类将拥有自己的虚函数表，其中对应的函数指针被覆盖。其它成员和普通的类对象及其子类对象一致。

验证代码和环境

// SampleClass.h
class SampleClass
{
public:
	virtual void VirtualMethod();
	virtual void VirtualMethod2();
private:
	char num = 0;
};

class SampleClassExtend : public SampleClass
{
public:
	virtual void VirtualMethod();
	virtual void ExtraVirtualMethod();
private:
	int num2 = 0;
	int num3 = 0;
};

class SampleClassExtend2 : public SampleClass
{

};

注：以上各成员函数的定义在此省略不写。

// main.cpp
#include "SampleClass.h"

int main()
{
	SampleClass sc;
	SampleClassExtend sce;
	SampleClassExtend2 sce2;
	
	sc.VirtualMethod();
	sce.VirtualMethod();
	sce.ExtraVirtualMethod();
	sce2.VirtualMethod();
	return 0;
}

环境：

Windows 11 22H2 x64 with Intel Core i5-11300H

编译器：

g++ 13.1.0

内存占用验证

通过sizeof获取SampleClass、SampleClassExtend、SampleClassExtend2的大小，得到

16

24

16

这里涉及到一个内存对齐的问题（可能）。如果对象的实际占用不是8的倍数，会被自动填充为8的倍数。例如SampleClassExtend的实际大小为8 + 2 * 4 + 1 = 17，被填充为24。

虚函数表验证

我个人强烈反对使用指针转换符对指针进行各类乱七八糟、甚至是非法的转换，更不要说拿这种指针来当作函数指针以试图调用某个函数了。这样做很可能让人染上滥用指针类型转换的毛病。因此，不通过所谓取指针打印的方法，而通过反汇编的方法直接查看内存来得到结论。

使用x64dbg调试编译出来的二进制程序test.exe，发现直接查看汇编代码比较难懂，于是先使用ida反汇编，来对照实际的汇编代码。

如图，左图为x64dbg的截图，右图为ida的截图。重要的语句已经用黄色记号标出。

汇编代码

标黄的语句中，第一第二句分别获取SampleClass和它的子类SampleClassExtended的虚函数表地址。

对照我们的源代码可以看出，第4-6句分别调用了父类的虚函数、子类覆盖的虚函数、子类新定义的虚函数子类未覆盖的虚函数。

从第一、二句可以看出，程序只加载了SampleClass和SampleClassExtend的虚函数表。对比第四句和第六句，可以看出执行的实际上是同一个函数SampleClass::VirtualMethod，因此得出结论一：若子类未覆盖任何虚函数，则和父类共用同一个虚函数表，且执行父类的虚函数。

对照汇编代码和结论一即可得到结论二：覆盖了父类虚函数的子类对象拥有自己的虚函数表。

下面来验证被执行的四个函数确实是通过虚函数表查出来的。对照x64dbg提供的汇编代码，我们知道， SampleClass的虚函数表地址为：ds:[7FF7B08D4440] + 10h，SampleClassExtend的虚函数表地址为：ds:[7FF7B08D4450] + 10h。使用内置的计算器计算出实际的地址并跳转到对应内存。

计算器

内存图中，每行包含16个字节，因此可以存储两个指针，可以看出SampleClass包括两个虚函数。 Intel处理器使用小端序，据此可以读出第一个虚函数的地址为7FF7B08D1450，与代码中显示的完全一致。其它三个函数可以如法炮制，就不画蛇添足了。这里也可以看出 SampleClassExtend有三个虚函数，没覆盖的父类虚函数指针原样保存在虚函数表中。

多继承和虚继承

马克思主义认为，要结合理论和实践，实践可以推动理论。因此，让我们从事实来推出理论。

编写以下代码

// SampleClass.h

class SampleClass
{
public:
	virtual void VirtualMethod();
	virtual void VirtualMethod2();
private:
	char num = 1;
};


class SampleClassExtend1 : virtual public SampleClass
{
public:
	virtual void VirtualMethod();
private:
	int n = 2147483647;
};

class SampleClassExtend2 : virtual public SampleClass
{
private:
	double d = 3;
};

class SampleClassExtendExtend : public SampleClassExtend1, public SampleClassExtend2
{
private:
	long long ll = 100;
};

class normalExtend : public SampleClass
{
private:
	long long ll = -1;
};

// main.cpp
#include "SampleClass.h"

int main()
{
	SampleClass sc;
	SampleClassExtend1 sce1;
	SampleClassExtendExtend scee;
	normalExtend ne;
	return 0;
}