【C/C++】深度探索c++对象模型_笔记

1. 对象内存布局

(1) 普通类（无虚函数）

• 成员变量排列：按声明顺序存储，但编译器会根据内存对齐规则插入填充字节（padding）。

  class Simple {char a;      // 1字节（偏移0）int b;       // 4字节（偏移4，因对齐跳过1-3字节）double c;    // 8字节（偏移8）
  };
  // 总大小：1 + 3(padding) +4 +8 = 16字节（64位系统）
  

• 成员函数：独立于对象存储，编译时转换为普通函数，隐式添加 this 指针参数。

(2) 含虚函数的类

• 虚表指针（vptr）：对象头部插入一个指针，指向类的虚函数表（vtable）。
• 虚函数表（vtable）：一个函数指针数组，按虚函数声明顺序存储地址。

  class Base {
  public:virtual void func1() {}    // vtable[0]virtual void func2() {}    // vtable[1]int data;                  // 偏移8（假设vptr占8字节）
  };
  

  内存布局：[vptr][data]
  vtable内容：[&Base::func1, &Base::func2]

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2. 虚函数与动态绑定

(1) 多态实现流程

• 对象构造时：编译器在构造函数中插入代码，将 vptr 指向当前类的虚表。
• 函数调用时：通过 vptr 找到虚表，再根据函数声明顺序索引到具体函数地址。

  Base* obj = new Derived();
  obj->func1();  // 实际调用 Derived::func1()
  

  底层伪代码：

  mov rax, [obj]        ; 获取vptr
  call [rax + 0]        ; 调用vtable[0]处的函数
  

(2) 覆盖与扩展

• 派生类覆盖虚函数：替换基类虚表中对应的函数指针。
• 派生类新增虚函数：在虚表末尾追加新条目。

  class Derived : public Base {
  public:void func1() override {}  // 替换Base的vtable[0]virtual void func3() {}   // 追加到vtable[2]
  };
  

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3. 继承机制

(1) 单继承

• 内存布局：基类成员在前，派生类成员在后。

  class Base { int a; };
  class Derived : public Base { int b; };
  // 布局：[Base::a][Derived::b]
  

• 虚函数表：派生类虚表继承基类虚表条目并覆盖或扩展。

(2) 多重继承

• 内存布局：按继承顺序排列各基类子对象，每个多态基类有自己的 vptr。

  class Base1 { virtual void f1() {} };
  class Base2 { virtual void f2() {} };
  class Derived : public Base1, public Base2 {};
  

  布局：[Base1 vptr][Base1 data][Base2 vptr][Base2 data][Derived data]

• 指针调整：当将 Derived* 转换为 Base2* 时，编译器自动调整指针偏移。

  Derived d;
  Base2* pb2 = &d;  // 指针实际指向 Base2 子对象起始地址
  

(3) 虚继承（解决菱形继承）

• 虚基类子对象共享：所有虚继承路径共享同一个基类实例。

  class A { int a; };
  class B : virtual public A { int b; };
  class C : virtual public A { int c; };
  class D : public B, public C { int d; };
  

  布局：

  • B 部分：[B vptr][B::b][虚基类A的偏移信息]
  • C 部分：[C vptr][C::c][虚基类A的偏移信息]
  • D::d
  • 共享的 A::a（位于对象尾部）

• 虚基类表（vbtl）：存储虚基类子对象的偏移量，供构造函数初始化时使用。

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4. 构造函数与析构函数

(1) 构造过程

• 隐式操作：编译器在构造函数中自动插入以下代码：
  1. 调用基类构造函数。
  2. 初始化 vptr（确保多态正确）。
  3. 初始化虚基类（若存在）。
  4. 执行成员变量的初始化列表。
  5. 执行用户编写的构造函数体。

(2) 虚析构函数

• 必要性：若基类析构函数非虚，通过基类指针删除派生类对象会导致资源泄漏（派生类析构函数不被调用）。
• 实现：虚析构函数在虚表中占用一个条目，确保动态绑定到实际对象的析构函数。

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5. 函数调用与 this 指针

(1) 成员函数调用

• 成员函数被编译为普通函数，首个参数为隐式 this 指针。

  // 源代码
  void MyClass::func(int x) { ... }// 编译后伪代码
  void MyClass_func(MyClass* this, int x) { ... }
  

(2) 虚函数调用

• 通过 vptr 和 vtable 动态解析函数地址，等价于：

  // obj->virtual_func() 的底层行为
  (*(obj->vptr[n]))(obj);  // n为虚函数在表中的索引
  

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6. 内存对齐与优化

• 对齐规则：变量地址通常是其类型大小（sizeof）的整数倍。例如：
  • int（4字节）的地址需是4的倍数。
  • double（8字节）的地址需是8的倍数。
• 手动调整对齐：

  #pragma pack(1)       // 设置1字节对齐（禁用填充）
  struct Unaligned {char a;           // 偏移0int b;            // 偏移1（正常情况下会填充到偏移4）
  };
  #pragma pack()        // 恢复默认对齐
  

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7. 模板与异常处理的影响

(1) 模板实例化

• 每个模板实例化会生成独立的代码，可能导致代码膨胀。例如：

  template<typename T>
  class Box { T data; }; Box<int> a;   // 生成 Box<int> 的代码
  Box<double> b;// 生成 Box<double> 的代码
  

(2) 异常处理

• 栈展开（Stack Unwinding）：抛出异常时，析构局部对象需要依赖虚函数表信息（若涉及多态）。

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总结

《深度探索C++对象模型》揭示了C++语法背后的底层实现逻辑，理解这些机制可帮助开发者：

1. 优化性能：通过内存布局调整减少缓存未命中（Cache Miss）。
2. 调试复杂问题：如多态失效、内存对齐错误、菱形继承问题。
3. 避免未定义行为：如错误转换指针导致的内存访问错误。
4. 设计高效类：权衡虚函数开销与灵活性。