C++内存分布

2018-10-31 本文已影响27人 MrYun

前言

之前阿里面试的时候有个面试官就问了我会不会"什么什么的内存模型"，当时自己还不知道这个名词(知道概念，但确确实实不知道叫这个名字.....)，所以就回了是问关于大小端存储么？面试官就问下一个问题了.....
后来在《程序员的自我修养》这本书中，看了相关的概念，在这里整理一下：

Visual Studio查看虚函数表

在这里首先插一个话题，讲解一下如何查看虚函数表。

我们通过调试去查看变量的分布的时候，会发现只能显示出来基类的虚函数表，而派生类的虚函数表却是被隐藏的；我们想查看这个怎么办？下面是步骤:

image.png

先选择左侧的C/C++->命令行，然后在其他选项这里写上/d1 reportAllClassLayout，它可以看到所有相关类的内存布局，如果写上/d1 reportSingleClassLayoutXXX（XXX为类名），则只会打出指定类XXX的内存布局。近期的VS版本都支持这样配置。

运行程序的话就会自动生成一张虚函数表了:

image.png

这个内存结构图分成了两个部分，上面是内存分布，下面是虚表;就可以简单进行查看了。

C++内存模型(内存布局)

内存区域

这部分经友人提醒，可以从C++标准的"内存"概念中出发，后面会更新这部分内容。
HERE
C++内存分为5个区域：
堆 heap ：
由new分配的内存块，其释放编译器不去管，由我们程序自己控制（一个new对应一个delete）。如果程序员没有释放掉，在程序结束时OS会自动回收。涉及的问题：“缓冲区溢出”、“内存泄露”
栈 stack ：
是那些编译器在需要时分配，在不需要时自动清除的存储区。存放局部变量、函数参数。
存放在栈中的数据只在当前函数及下一层函数中有效，一旦函数返回了，这些数据也就自动释放了。
全局/静态存储区（.bss段和.data段）：
全局和静态变量被分配到同一块内存中。在C语言中，未初始化的放在.bss段中，初始化的放在.data段中；在C++里则不区分了。
常量存储区（.rodata段）：
存放常量，不允许修改（通过非正当手段也可以修改）
代码区（.text段）：
存放代码（如函数），不允许修改（类似常量存储区），但可以执行（不同于常量存储区）
根据C++对象生命周期不同，C++的内存模型有三种不同的内存区域:
1.自由存储区，动态区、静态区局部非静态变量的存储区域(栈)
2.动态区:用operator new,malloc分配的内存(堆)
3.静态区:全局变量、静态变量、字符串常量存在位置

内存布局

介绍完了内存区域，那么在C++中类对象的内存布局是如何分布的呢？
回顾一下，我们写class的时候，会有成员变量、成员函数、静态成员变量、静态成员函数、虚函数与纯虚函数这几个元素，他们都分布在内存中，后文会详细介绍这些分布；在这里，影响对象大小的有哪些因素呢？成员变量的类型与数量、虚函数表的指针(_vftptr)、虚基类表指针(_vbtptr)-->产生虚函数表、单一继承、多重继承、重复继承、虚拟继承，当然也会有编译器的优化与内存对齐的影响,不过这里重点讲一下类的成员变量与虚函数表相关的内存布局。

单一类

1.构造一个空类:

image.png

这里空类的长度却是1，是为了用来标识该对象；

2.我们在类中添加成员变量:

image.png

这个涉及到了内存对齐问题，之前自己写过一篇博客说过这个概念。调试看一下:

image.png

3.只有虚函数的类:

image.png

内存中虚函数表占了4个字节，而构建的虚函数表在我的这一篇博客中也讲到了。

image.png

4.有成员变量与虚函数的类

image.png

就是将情况2、3加起来就行了。

单一继承(含成员变量+虚函数+虚函数覆盖)
继承关系:

image.png

通过代码查看的虚函数表是这样的:

image.png

构建的虚函数表是这样的:

image.png

多继承(含成员函数+虚函数+虚函数覆盖)

继承关系:

image.png

三个int型，2个虚函数表，所以长度为20；虚函数表是这个样子:

image.png

内存布局是这样:

image.png

深度为2的继承(成员变量+虚函数+虚函数覆盖)

继承关系:

image.png

4个int型，2个虚函数表；代码显示的类的布局是这样:

image.png

内存布局：

image.png

如果自己手动计算一下继承的内容，会发现对两张虚函数表的内容感到奇怪，比如顺着CGrandChildren的CParent1的虚函数表应该有:f0,g0,h0,g1,h1,h2,f2,f3,但是我们发现剩下的却只有f0,g0,h0,h2,f2,f3，g1,h1都在CParent2这个表里。所以，如果在第二个基类中有的虚函数，在深度为2的继承的第一个基类的虚函数表中需要排除这些虚函数。简单的一个记忆方法就是按照当前方法计算出虚函数，然后再检查其他基类中有没有这个虚函数，如果有的话就删掉；如果深度为1的派生类里有新的虚函数的话(不是重构基类的虚函数)，会在第一张表里生成。当然这也只是大学期间自己做题的小技巧，其原理是这样的:重构的话必须找到相对应的基类虚函数，而在第二个基类中的虚函数只能在第二个虚函数表才能找到；此外，虚函数表会优先生成新的虚函数在第一次遇见的时候。下面写一段代码验证下:

class A {
public:
    virtual void f1() { cout << "A:f1" << endl; };
    virtual void f2() { cout << "A:f2" << endl; };
    virtual void f3() { cout << "A:f3" << endl; };
};

class B {
public:
    virtual void g1() { cout << "B:g1" << endl; };
    virtual void g2() { cout << "B:g2" << endl; };
    virtual void f2() { cout << "B:f2" << endl; };
};

class C :public A, public B {
    virtual void f1() { cout << "C:f1" << endl; };
    virtual void g1() { cout << "C:g1" << endl; };
};

class D :public C {
    virtual void f1() { cout << "D:f1" << endl; };
    virtual void g2() { cout << "D:g2" << endl; };
};

显示的内存分布是这样的:

image.png

重复继承(含成员变量+虚函数+虚函数覆盖)

继承关系:

image.png

这样的继承关系在内存分布中是这样的:

image.png

由于基类中的m_nAge在内存分布中出现了两次，所以最后的结果是5个int类型和2个虚函数表，共计28字节。

内存布局是这样的：

image.png

单一虚继承(含成员变量+虚函数+虚函数覆盖)

继承关系如下:

image.png

所谓的虚继承就是把继承语法前加上virtual关键字，例如class B：virtual public A{..};

虚拟继承的出现就是为了解决重复继承中多个间接父类的问题的。内存分布是这样的:

image.png

这里需要解释下，因为出现了vfptr与vbptr，前面的我们已经经常看到了，但是vbptr却是第一次见，它是CChildren对应的虚表指针，它指向CChildren的虚表vtable，另一个vfptr位于0地址偏移处，它指向vftable。从截图中也可以看出有两个表vftable与vbtable。第二张vbtable中的8表示vbptr与基类的vfptr之间的偏移。

内存布局为:

image.png

另外提及一下，如果CChildren里全部是重载基类中的虚函数的话，或者说没有新的虚函数的话，vftptr指向的虚函数表就是空的，所以计算大小的时候可以不用算进去，因为实际上并没有创建相应的表格:

举个例子:

class A {
public:
    virtual void f1() { cout << "A:f1" << endl; };
    virtual void f2() { cout << "A:f2" << endl; };
    virtual void f3() { cout << "A:f3" << endl; };
};

class B:virtual A {
public:
    //virtual void g1() { cout << "B:g1" << endl; };
    virtual void f2() { cout << "B:f2" << endl; };
    virtual void f3() { cout << "B:f3" << endl; };
};

内存分布为: