C++对象模型:单继承,多继承,虚继承

泄露秘密 提交于 2019-12-24 14:13:08

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什么是对象模型

有两个概念可以解释C++对象模型:

语言中直接支持面向对象程序设计的部分。
对于各种支持的底层实现机制。

类中成员分类

数据成员分为静态和非静态,成员函数有静态非静态以及虚函数

class data members:static和nonstatic

class data functions:static、nonstatic和virtual

比如:

复制代码

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;
};

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对象模型分类

简单对象模型:这个模型非常地简单粗暴。在该模型下,对象由一系列的指针组成,每一个指针都指向一个数据成员或成员函数,也即是说,每个数据成员和成员函数在类中所占的大小是相同的,都为一个指针的大小。这样有个好处——很容易算出对象的大小,不过赔上的是空间和执行期效率。所以这种对象模型并没有被用于实际产品上。

表格驱动对象模型:把类中的数据分成了两个部分:数据部分与函数部分,并使用两张表格,一张存放数据本身,一张存放函数的地址(也即函数比成员多一次寻址),而类对象仅仅含有两个指针,分别指向上面这两个表。这样看来,对象的大小是固定为两个指针大小。这个模型也没有用于实际应用于真正的C++编译器上。

C++对象模型:正在使用的

在此模型下,nonstatic 数据成员被置于每一个类对象中,而static数据成员被置于类对象之外。static与nonstatic函数也都放在类对象之外,而对于virtual 函数,则通过虚函数表+虚指针来支持:

  1. 每个类生成一个表格,称为虚表(virtual table,简称vtbl)。虚表中存放着一堆指针,这些指针指向该类每一个虚函数。虚表中的函数地址将按声明时的顺序排列
  2. 每个类对象都拥有一个虚表指针(vptr),由编译器为其生成。虚表指针的设定与重置皆由类的复制控制(也即是构造函数、析构函数、赋值操作符)来完成。vptr的位置为编译器决定,传统上它被放在所有显示声明的成员之后,不过现在许多编译器把vptr放在一个类对象的最前端(也就是说对象的地址就是vptr的地址)
  3. 虚函数表的前面设置了一个指向type_info的指针,用以支持RTTI(Run Time Type Identification,运行时类型识别)。RTTI是为多态而生成的信息,包括对象继承关系,对象本身的描述等,只有具有虚函数的对象在会生成。

单继承(父类含虚函数)

原则:

对普通单继承而言

  1. 子类与父类拥有各自的一个虚函数表
  2. 若子类并无overwrite父类虚函数,用父类虚函数
  3. 若子类重写(overwrite)了父类的虚函数,则子类虚函数将覆盖虚表中对应的父类虚函数
  4. 若子声明了自己新的虚函数,则该虚函数地址将扩充到虚函数表最后

复制代码

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 }

复制代码

输出:

 

调试:

 

对象模型:

事实上vs调试并不能看到完整信息(比如virtual fun3以及之后提到到虚基类指针),正确的应该是

一般多继承

这里讲的是不考虑菱形继承的多继承,因为菱形继承需要用到虚继承,放到之后考虑

原则:

  1. 若子类新增虚函数,放在声明的第一个父类的虚函数表中
  2. 若子类重写了父类的虚函数,所有父类的虚函数表都要改变:如fun1
  3. 内存布局中,父类按照其声明顺序排列

复制代码

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 }

复制代码

输出:

各个类对象的大小

调试:注意观察fun1

对象模型:

简单虚继承

原则:

虚继承解决了菱形继承中最派生类拥有多个间接父类实例的情况

  1. 虚继承的子类,如果本身定义了新的虚函数,则编译器为其生成一个新的虚函数指针(vptr)以及一张虚函数表。该vptr位于对象内存最前面(对比非虚继承:直接扩展父类虚函数表)
  2. 虚继承的子类也单独保留了父类的vprt与虚函数表
  3. 虚继承的子类有虚基类表指针(vbptr)

在C++对象模型中,虚继承而来的子类会生成一个隐藏的虚基类指针(vbptr),在Microsoft Visual C++中,虚基类表指针总是在虚函数表指针之后,因而,对某个类实例来说,如果它有虚基类指针,那么虚基类指针可能在实例的0字节偏移处(该类没有vptr时,vbptr就处于类实例内存布局的最前面,否则vptr处于类实例内存布局的最前面),也可能在类实例的4字节偏移处。

 

虚基类表也由多个条目组成,条目中存放的是偏移值。

第一个条目存放虚基类表指针(vbptr)所在地址到该类内存首地址的偏移值

第二、第三...个条目依次为该类的最左虚继承父类、次左虚继承父类...的内存地址相对于虚基类表指针的偏移值。

复制代码

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 }

复制代码

对象模型:

 

菱形虚继承

菱形虚继承是多继承和虚继承的复合,直接画一个对象模型吧:

笔记原图:

参考:图说C++对象模型:对象内存布局详解

 

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