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【C/C++】深度探索c++对象模型_笔记

news 来源：原创 2025/7/3 20:31:18

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]

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]
};

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。

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。

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

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

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）。

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。

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【轻松学 C：编程小白的大冒险】— 16 函数的定义与调用

在编程的艺术世界里&#xff0c;代码和灵感需要寻找到最佳的交融点&#xff0c;才能打造出令人为之惊叹的作品。而在这座秋知叶i博客的殿堂里&#xff0c;我们将共同追寻这种完美结合&#xff0c;为未来的世界留下属于我们的独特印记。 【轻松学 C&#xff1a;编程小白的大冒险…...

编程日记 2025/6/29 0:55:26

【Tools】CPU 分析

CPU 分析 Windows SDK 本指南提供了可用于调查影响评估指标的中央处理单元 (CPU) 相关问题的详细技术。 特定于评估的分析指南中的各个指标或问题部分确定了需要调查的常见问题。 本指南提供了可用于调查这些问题的技术和工具。 本指南中的技术使用 Windows Performance Too…...

编程日记 2025/6/28 22:59:18