什麼是物件模型

有兩個概念可以解釋C++物件模型：

語言中直接支援面向物件程式設計的部分。
對於各種支援的底層實現機制。

類中成員分類

資料成員分為靜態和非靜態，成員函式有靜態非靜態以及虛擬函式

class data members：static和nonstatic

class data functions：static、nonstatic和virtual

比如：

class Base
{
public:
 
    Base(int i) :baseI(i){};
  
    int getI(){ return baseI; }
 
    static void countI(){};
 
    virtual void print(void){ cout << "Base::print()"; }

    virtual ~Base(){}
 
private:
 
    int baseI;
 
    static int baseS;
};

物件模型分類

簡單物件模型：這個模型非常地簡單粗暴。在該模型下，物件由一系列的指標組成，每一個指標都指向一個數據成員或成員函式，也即是說，每個資料成員和成員函式在類中所佔的大小是相同的，都為一個指標的大小。這樣有個好處——很容易算出物件的大小，不過賠上的是空間和執行期效率。所以這種物件模型並沒有被用於實際產品上。

表格驅動物件模型：把類中的資料分成了兩個部分：資料部分與函式部分，並使用兩張表格，一張存放資料本身，一張存放函式的地址（也即函式比成員多一次定址），而類物件僅僅含有兩個指標，分別指向上面這兩個表。這樣看來，物件的大小是固定為兩個指標大小。這個模型也沒有用於實際應用於真正的C++編譯器上。

C++物件模型：正在使用的

在此模型下，nonstatic 資料成員被置於每一個類物件中，而static資料成員被置於類物件之外。static與nonstatic函式也都放在類物件之外，而對於virtual 函式，則通過虛擬函式表+虛指標來支援：

1. 每個類生成一個表格，稱為虛表（virtual table，簡稱vtbl）。虛表中存放著一堆指標，這些指標指向該類每一個虛擬函式。虛表中的函式地址將按宣告時的順序排列
2. 每個類物件都擁有一個虛表指標(vptr)，由編譯器為其生成。虛表指標的設定與重置皆由類的複製控制（也即是建構函式、解構函式、賦值操作符）來完成。vptr的位置為編譯器決定，傳統上它被放在所有顯示宣告的成員之後，不過現在許多編譯器把vptr放在一個類物件的最前端（也就是說物件的地址就是vptr的地址）
3. 虛擬函式表的前面設定了一個指向type_info的指標，用以支援RTTI（Run Time Type Identification，執行時型別識別）。RTTI是為多型而生成的資訊，包括物件繼承關係，物件本身的描述等，只有具有虛擬函式的物件在會生成。

單繼承（父類含虛擬函式）

原則：

對普通單繼承而言

1. 子類與父類擁有各自的一個虛擬函式表
2. 若子類並無overwrite父類虛擬函式，用父類虛擬函式
3. 若子類重寫（overwrite）了父類的虛擬函式，則子類虛擬函式將覆蓋虛表中對應的父類虛擬函式
4. 若子聲明瞭自己新的虛擬函式，則該虛擬函式地址將擴充到虛擬函式表最後

1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class Base
 5 {
 6 public:
 7     virtual void fun1(){ cout << "Base fun1" << endl; }
 8     virtual void fun2(){ cout << "Base fun2" << endl; }
 9 private:
10     int a;
11 };
12 
13 class Derive :  public Base
14 {
15 public:
16     void fun2(){ cout << "Derive fun2" << endl; }
17     virtual void fun3(){}
18 private:
19     int b;
20 };
21 
22 int main()
23 {
24     Base b;
25     Derive d;
26     Base *p = &d;
27     p->fun1();
28     p->fun2();
29 
30     system("pause");
31     return 0;
32 }

輸出：

 

除錯：

 

物件模型：

事實上vs除錯並不能看到完整資訊（比如virtual fun3以及之後提到到虛基類指標），正確的應該是

一般多繼承

這裡講的是不考慮菱形繼承的多繼承，因為菱形繼承需要用到虛繼承，放到之後考慮

原則：

1. 若子類新增虛擬函式，放在宣告的第一個父類的虛擬函式表中
2. 若子類重寫了父類的虛擬函式，所有父類的虛擬函式表都要改變：如fun1
3. 記憶體佈局中，父類按照其宣告順序排列

1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class Base1
 5 {
 6 public:
 7     virtual void fun1(){}
 8 private:
 9     int m_base1;
10 };
11 
12 class Base2
13 {
14 public:
15     virtual void fun1(){}
16     virtual void fun2(){}
17 private:
18     int m_base2;
19 };
20 
21 class Derive :  public Base1,public Base2
22 {
23 public:
24     void fun1(){}
25     virtual void fun3(){}
26 private:
27     int m_derive;
28 };
29 
30 int main()
31 {
32     Base1 b1;
33     Base2 b2;
34     Derive d;
35 
36     cout <<"b1:" <<sizeof(b1) << endl;
37     cout << "b2:" << sizeof(b2) << endl;
38     cout <<"d:" << sizeof(d) << endl;
39     system("pause");
40     return 0;
41 }

輸出：

各個類物件的大小

除錯：注意觀察fun1

物件模型：

簡單虛繼承

原則：

虛繼承解決了菱形繼承中最派生類擁有多個間接父類例項的情況

1. 虛繼承的子類，如果本身定義了新的虛擬函式，則編譯器為其生成一個新的虛擬函式指標（vptr）以及一張虛擬函式表。該vptr位於物件記憶體最前面（對比非虛繼承：直接擴充套件父類虛擬函式表）
2. 虛繼承的子類也單獨保留了父類的vprt與虛擬函式表
3. 虛繼承的子類有虛基類表指標（vbptr）

在C++物件模型中，虛繼承而來的子類會生成一個隱藏的虛基類指標（vbptr），在Microsoft Visual C++中，虛基類表指標總是在虛擬函式表指標之後，因而，對某個類例項來說，如果它有虛基類指標，那麼虛基類指標可能在例項的0位元組偏移處（該類沒有vptr時，vbptr就處於類例項記憶體佈局的最前面，否則vptr處於類例項記憶體佈局的最前面），也可能在類例項的4位元組偏移處。

 

虛基類表也由多個條目組成，條目中存放的是偏移值。

第一個條目存放虛基類表指標（vbptr）所在地址到該類記憶體首地址的偏移值

第二、第三...個條目依次為該類的最左虛繼承父類、次左虛繼承父類...的記憶體地址相對於虛基類表指標的偏移值。

1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class Base
 5 {
 6 public:
 7     virtual void fun1(){}
 8     virtual void fun2(){}
 9 private:
10     int m_base;
11 };
12 
13 class Derive : virtual public Base
14 {
15 public:
16     void fun1(){}
17     virtual void fun3(){}
18 private:
19     int m_derive;
20 };
21 
22 int main()
23 {
24     Base b;
25     Derive d;
26 
27     system("pause");
28     return 0;
29 }

物件模型：

 

菱形虛繼承

菱形虛繼承是多繼承和虛繼承的複合，直接畫一個物件模型吧：

筆記原圖：

參考：圖說C++物件模型：物件記憶體佈局詳