一起探索C++类内存分布

C++ 类中内存分布具体是怎么样，尤其是C++中含有继承、虚函数、虚拟继承以及菱形继承等等情况下。

由于在linux下没有windows下显示直观，我们采用vs2015进行调试。

部署环境

我们在 属性->C/C++ ->命令行 -> /d1 reportSingleClassLayoutXXX ,XXX表示类名；

单个基础类
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class Base
{
private:
int a;
int b;
public:
void test();
};
内存分布：
1
2
3
4
5
class Base size(8):
+-- -
0 | a
4 | b
+-- -
总结：我们发现普通类的内存分布是根据声明的顺序进行的,成员函数不占用内存。

基础类+继承类

class Base
{
 int a;
 int b;
public:
 void test();
};

class Divide :public Base
{
public:
 void run();
private:
 int c;
 int d;
};

内存分布：

class Divide size(16) :
   +-- -
   0 | +-- - (base class Base)
   0 | | a
   4 | | b
 | +-- -
   8 | c
  12 | d
   +-- -

总结：根据内存分布，我们发现普通继承类，内存分布也是按照声明的顺序进行的，成员函数不占用内存；类的顺序是先基类，后子类。

含有虚函数的基类
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class Base
{
int a;
int b;
public:
void test();
virtual void run();
};
内存分布：
1
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class Base size(12) :
+-- -
0 | {vfptr}
4 | a
8 | b
+-- -

Base::$vftable@:
| &Base_meta
| 0
0 | &Base::run
总结：带有虚函数的内存分布分为两部分，一部分是内存分布，一部分是虚表；我们从最上面发现，vfptr是放在了内存开始处，然后才是成员变量；虚函数run前面表示这个虚函数的序号为0。

含有虚函数的基类+继承子类

class Base
{
 int a;
 int b;
public:
 void test();
 virtual void run();
};

class Divide :public Base
{
public:
 void DivideFun();
 virtual void run();
private:
 int c;
 int d;
};

内存分布：

class Divide size(20) :
   +-- -
   0 | +-- - (base class Base)
   0 | | {vfptr}
   4 | | a
   8 | | b
 | +-- -
  12 | c
  16 | d
   +-- -

  Divide::$vftable@:
 | &Divide_meta
 | 0
   0 | &Divide::run

总结：我们发现继承类，虚表只有一个，还是在内存开始处，内存排布顺序与普通继承类是一致的；

含有虚函数的基类+继承子类（多增加一个虚函数）

class Base
{
 int a;
 int b;
public:
 void test();
 virtual void run();
};

class Divide :public Base
{
public:
 void DivideFun();
 virtual void run();
 virtual void DivideRun();
private:
 int c;
 int d;
};

内存分布：

class Divide size(20) :
   +-- -
   0 | +-- - (base class Base)
   0 | | {vfptr}
   4 | | a
   8 | | b
 | +-- -
  12 | c
  16 | d
   +-- -

  Divide::$vftable@:
 | &Divide_meta
 | 0
   0 | &Divide::run
   1 | &Divide::DivideRun

总结：虚表还是继承于基类，在虚表部分多了DivideRun序号为1的虚函数；

多重继承

class Base
{
 int a;
 int b;
public:
 virtual void run();
};

class Divide1 :public Base
{
public:
 virtual void run();
private:
 int c;
};

class Divide2 :public Base
{
public:
 virtual void run();
private:
 int d;
};

class Divide :public Divide1, Divide2
{
public:
 virtual void run();
private:
 int d;
};

内存分布：

class Divide1 size(16) :
   +-- -
   0 | +-- - (base class Base)
   0 | | {vfptr}
 4 | | a
 8 | | b
| +-- -
 12 | c
  +-- -

 Divide1::$vftable@:
| &Divide1_meta
| 0
  0 | &Divide1::run

 Divide1::run this adjustor: 0

 class Divide2 size(16) :
  +-- -
   0 | +-- - (base class Base)
   0 | | {vfptr}
  4 | | a
  8 | | b
| +-- -
 12 | d
  +-- -

 Divide2::$vftable@:
| &Divide2_meta
| 0
  0 | &Divide2::run

 Divide2::run this adjustor: 0

 class Divide size(36) :
  +-- -
   0 | +-- - (base class Divide1)
   0 | | +-- - (base class Base)
   0 | | | {vfptr}
 4 | | | a
 8 | | | b
| | +-- -
 12 | | c
| +-- -
  | +-- - (base class Divide2)
  | | +-- - (base class Base)
  | | | {vfptr}
  | | | a
  | | | b
| | +-- -
  | | d
| +-- -
  | d
  +-- -

 Divide::$vftable@Divide1@:
| &Divide_meta
| 0
  0 | &Divide::run

 Divide::$vftable@Divide2@:
| -16
  0 | &thunk: this -= 16; goto Divide::run

 Divide::run this adjustor: 0

总结：主要看最后一个Divide类，内存排列顺序先是Divide1，后是Divide2，在Divide1和Divide2中各有一份虚表；

虚拟继承（菱形继承）

class Base
{
 int a;
 int b;
public:
 virtual void run();
};

class Divide1 :virtual public Base
{
public:
 virtual void run();
private:
 int c;
};

class Divide2 :virtual public Base
{
public:
 virtual void run();
private:
 int d;
};

class Divide :public Divide1, Divide2
{
public:
 virtual void run();
private:
 int d;
};

内存分布：

class Divide1 size(20) :
    +-- -
    0 | {vbptr}
   4 | c
   +-- -
   +-- - (virtual base Base)
   8 | {vfptr}
  12 | a
  16 | b
   +-- -

  Divide1::$vbtable@:
   0 | 0
   1 | 8 (Divide1d(Divide1 + 0)Base)

  Divide1::$vftable@:
 | -8
   0 | &Divide1::run

  Divide1::run this adjustor: 8
  vbi:    class  offset o.vbptr  o.vbte fVtorDisp
              Base       8       0       4 0

  class Divide2 size(20) :
   +-- -
   0 | {vbptr}
   4 | d
   +-- -
   +-- - (virtual base Base)
   8 | {vfptr}
  12 | a
  16 | b
   +-- -

  Divide2::$vbtable@:
   0 | 0
   1 | 8 (Divide2d(Divide2 + 0)Base)

  Divide2::$vftable@:
 | -8
   0 | &Divide2::run

  Divide2::run this adjustor: 8
  vbi:    class  offset o.vbptr  o.vbte fVtorDisp
              Base       8       0       4 0

  class Divide size(32) :
   +-- -
   0 | +-- - (base class Divide1)
   0 | | {vbptr}
   4 | | c
 | +-- -
   8 | +-- - (base class Divide2)
   8 | | {vbptr}
  12 | | d
 | +-- -
  16 | d
   +-- -
   +-- - (virtual base Base)
  20 | {vfptr}
  24 | a
  28 | b
   +-- -

  Divide::$vbtable@Divide1@:
   0 | 0
   1 | 20 (Divided(Divide1 + 0)Base)

  Divide::$vbtable@Divide2@:
   0 | 0
   1 | 12 (Divided(Divide2 + 0)Base)

  Divide::$vftable@:
 | -20
   0 | &Divide::run

总结：通过内存分布可知，Divide1和Divide2都是两个虚表，Divide中却是成了3个虚表，只有一份base；所以说：虚继承的作用是减少了对基类的重复，代价是增加了虚表指针的负担（增加了更多的需指针）