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深入解析C++DataMember内存布局

C++内存 深入 解析 布局
2023-06-13 09:15:03 时间

如果一个类只定义了类名，没定义任何方法和字段，如classA{};那么classA的每个实例占用1个字节的内存，编译器会会在这个其实例中安插一个char，以保证每个A实例在内存中有唯一的地址，如Aa,b;&a!=&b。如果一个直接或是间接的继承（不是虚继承）了多个类，如果这个类及其父类像A一样没有方法没有字段，那么这个类的每个实例的大小都是1字节，如果有虚继承，那就不是1字节了，每虚继承一个类，这个类的实例就会多一个指向被虚继承父类的指针。还有一点值得说明的就是像A这样的类，编译器不一定会产生传说中的那6个方法，这些方法只会在需要的时候产生，如class A没有被任何地方使用那这些方法编译器就没有必要产生，如果这个类实例化了，那么会产生defaultconstructor，而destructor则不一定产生。

如果一个类中有staticdatamember，nonstaticdatamember，还有constdatamember，enum，那么它的内存布局会是什么样的呢，看下面简单的类Point：

复制代码代码如下:

classPoint
{
public:
   Point():maxCount(10){}
private:
   intX;
   staticintcount;
   intY;
   constintmaxCount;
   enum{
       minCount=2
   };
};

Sizeof(Point)=12,为什么占12字节呢，我相信很多人都知道是哪几个成员变量占用的，就是X,Y,maxCount,maxCount作为常量字段，但在Point的每个实例中可能有不同的值，当然属于Point实例的一部分，如果把maxCount定义成static，那它就不不是Point实例的一部分了，如果定义成static constintmaxCount=1;则maxCount分配在.data段中，如果没有初始化则分配在.bss段中，反正跟Point的实例无关，count分配在.bss段中，minCount分配在.rdata段中，总之count，maxCount，minCount在编译连接完成之后，内存（虚拟地址）就分配好了，在程序加载的时候，会把他们的虚拟地址对应上实际的物理地址。

Datamember的内存布局：nonstaticdatamember在classobject中的顺序和其申明的顺序一样，staticdata member和constmember不在classobject中因为他们只有一份，被classobject共享，所以staticdatamember和constdatamember，枚举并不会响应classobject的大小。关于段的信息，我觉得是每个C/C++程序员必须知道的。而Point每次实例化的时候则只需要分配X，Y，maxCount需要的内存。

每个类的datamember在内存中应该是连续的，如果出现数据对齐的情况，可能中间会有空白地带。请看下面几个类：

复制代码代码如下:

classAA
{
protected:
   intX;
   chara;
};

classBB:publicAA
{
protected:
   charb;
};

classCC:publicBB
{
protected:
   charc;
};


Sizeof(AA)=8//对齐3字节
Sizeof(BB)=12//两个3字节对齐
Sizeof(CC)=16//编译器“无耻”的用了3个3字节对齐



编译器为什么要无耻的在classCC中加3个3字节对齐呢，这样每个CC的实例就大了9字节。如果编译器不加这9字节的空白，那么CC的每个实例就是8字节，前面的X占4字节，后面的a,b,c占3字节，加1字节的空白对齐，刚好8字节，没有谁很傻很天真的以为最好是占7字节吧。

如果CC占用8字节内存，同样的AA，BB都是8字节的内存，这样的话，如果把一个指向AA实例的指针赋给一个指向CC实例的指针，那么就会把AA中的8字节直接盖到CC的8字节上，结果CC实例中的b，c都被赋上了不是我们想要的值，这很可能会导致你的程序出问题。

父类的datamember会在子类的实例中有完整的一份，这样在有继承关系的类之间进行类型转换，就只用简单的修改指针的指向。

DataMember的存取。对一个datamember的存取，编译器把对象实例的起始地址加上datamember的偏移量。如CCc;

c.X=1;相当于&c+(&CC::X-1),减一其实是为了区分是指向object的指针还是指向datamember的指针，指向datamember的要减一。每一个datamember的偏移量在编译的时候是知道的，根据成员变量的类型和内存对齐，存在virtual继承或是虚方法的情况编译器会自动加上一些辅助的指针，如指向虚方法的指针，指向虚继承父类的指针等。

在datamember的存取效率上，structmember、classmember、单一继承或是多重继承的情况下效率都是一样的，因为他们的存储其实都是&obj+(&class.datamember-1)。在虚继承的情况下，可能会影响存储性能，如通过一个指针来存取一个指向虚继承而来的datamember，那么性能会有影响，因为在虚继承的时候，在编译的时候还不能确定这个datamember是来自子类还是父类，只有在运行的时候才能推断出来，其实就是多了一步指针的操作，在虚继承中，如果是通过对象实例来操作虚继承而来的datamember，则不会有任何性能问题，因为不存在什么多态性，所有东西在编译的时候内存地址都确定了。

虚继承还是虚方法为了实现多态一样，多了一步，如果不需要多态，而是通过对象实例调用相关的方法就不会有性能问题。

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