C++对象模型：单继承，多继承，虚继承

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：

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;
};

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

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void fun1(){ cout << "Base fun1" << endl; }
    virtual void fun2(){ cout << "Base fun2" << endl; }
private:
    int a;
};

class Derive :  public Base
{
public:
    void fun2(){ cout << "Derive fun2" << endl; }
    virtual void fun3(){}
private:
    int b;
};

int main()
{
    Base b;
    Derive d;
    Base *p = &d;
    p->fun1();
    p->fun2();

    system("pause");
    return 0;
}

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
   

#include <iostream>
using namespace std;

class Base1
{
public:
    virtual void fun1(){}
private:
    int m_base1;
};

class Base2
{
public:
    virtual void fun1(){}
    virtual void fun2(){}
private:
    int m_base2;
};

class Derive :  public Base1,public Base2
{
public:
    void fun1(){}
    virtual void fun3(){}
private:
    int m_derive;
};

int main()
{
    Base1 b1;
    Base2 b2;
    Derive d;

    cout <<"b1:" <<sizeof(b1) << endl;
    cout << "b2:" << sizeof(b2) << endl;
    cout <<"d:" << sizeof(d) << endl;
    system("pause");
    return 0;
}

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。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void fun1(){}
    virtual void fun2(){}
private:
    int m_base;
};

class Derive : virtual public Base
{
public:
    void fun1(){}
    virtual void fun3(){}
private:
    int m_derive;
};

int main()
{
    Base b;
    Derive d;

    system("pause");
    return 0;
}

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