C++类内存布局

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class Base {
public:
    int baseValue;
    virtual void baseFun() {}
};

class B {
public:
    int bValue;
    virtual void fb1() {}
    virtual void fb2() {}
    virtual void test() { cout << "B::test()" << endl; }
};

class C : public Base {
public:
    int cValue;
    virtual void fc1() {}
    virtual void fc2() {}
    virtual void test() { cout << "C::test()" << endl; }
};

class A : public B, public C
{
public:
    int aPublicValue;
    virtual void fb2() {}
    //virtual void test() { cout << "A::test()" << endl; }
    virtual void fc2() {}
    virtual void funcA1() {}
    virtual void funcA2() {}
    void funcA3() {}
private:
    short aPrivateValue;
};

C++对象内存布局

通过VisualStudio来查看A类的内存布局：

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class A	size(28):
	+---
 0	| +--- (base class B)
 0	| | {vfptr}
 4	| | bValue
	| +---
 8	| +--- (base class C)
 8	| | +--- (base class Base)
 8	| | | {vfptr}
12	| | | baseValue
	| | +---
16	| | cValue
	| +---
20	| aPublicValue
24	| aPrivateValue
  	| <alignment member> (size=2)
	+---

A::$vftable@B@:
	| &A_meta
	|  0
 0	| &B::fb1 
 1	| &A::fb2 
 2	| &B::test 
 3	| &A::funcA1 
 4	| &A::funcA2 

A::$vftable@C@:
	| -8
 0	| &Base::baseFun 
 1	| &C::fc1 
 2	| &A::fc2 
 3	| &C::test 

A::fb2 this adjustor: 0
A::fc2 this adjustor: 8
A::funcA1 this adjustor: 0
A::funcA2 this adjustor: 0

从A::$vftable@B@可以看出虚函数表中A和B合并在一起了，并且A::fb2覆盖了B::fb2。而C类的vftable则是独立存储。

B和C两个类都定义了test()函数，而A类则没有覆盖test方法，如果A类调用test方法到底采用的是那个呢？在A::$vftable@B@指向的是B::test。而A::$vftable@C@指向的是C::test。我们通过下面代码进行测试：

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int main() {
    A a;
    //a.test(); //此处会导致编译错误，因为无法确定test的实现
    a.B::test(); //通过限定引用可以解决多义性问题
    B& b = static_cast<B&>(a);
    b.test();  //打印 B::test()
    C* c = static_cast<C*>(&a);
    c->test(); //打印 C::test()
    return 0;
}

所以基于A类的实例是无法调用test函数的，但是把A类转换成B/C的引用或者指针后，就能调用test方法了，但只能分别调用自己的函数实现。

我们现在把C继承Base使用virtual进行修饰，代码改动如下：

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class C : public virtual Base

A类的内存布局情况如下：

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class A	size(36):
	+---
 0	| +--- (base class B)
 0	| | {vfptr}
 4	| | bValue
	| +---
 8	| +--- (base class C)
 8	| | {vfptr}
12	| | {vbptr}
16	| | cValue
	| +---
20	| aPublicValue
24	| aPrivateValue
  	| <alignment member> (size=2)
	+---
	+--- (virtual base Base)
28	| {vfptr}
32	| baseValue
	+---

A::$vftable@:
	| &A_meta
	|  0
 0	| &B::fb1 
 1	| &A::fb2 
 2	| &B::test 
 3	| &A::funcA1 
 4	| &A::funcA2 

A::$vftable@C@:
	| -8
 0	| &C::fc1 
 1	| &A::fc2 
 2	| &C::test 

A::$vbtable@:
 0	| -4
 1	| 16 (Ad(C+4)Base)

A::$vftable@Base@:
	| -28
 0	| &Base::baseFun 

A::fb2 this adjustor: 0
A::fc2 this adjustor: 8
A::funcA1 this adjustor: 0
A::funcA2 this adjustor: 0
vbi:	   class  offset o.vbptr  o.vbte fVtorDisp
            Base      28      12       4 0

可以看出class c中多了一个{vbptr}指针，这个叫做虚基类指针。

查看类内存布局的方法

使用VisualStudio

在VisualStudio中：工具 > 命令行 > 开发者命令行提示，然后输入命令：

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cl /d1 reportAllClassLayout xxx.cpp > class.txt

输入内容比较多，搜索“class ClassName”就可以找到对应类的内部布局信息。

使用clang

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clang -Xclang -fdump-record-layouts -stdlib=libc++  -std=gnu++11 xxx.cpp
clang -Xclang -fdump-vtable-layouts -stdlib=libc++ -std=gnu++11 -I/usr/include/c++/11 -I/usr/include/x86_64-linux-gnu/c++/11 -c xxx.cpp

这种方式好像在继承关系使用virtual修饰时没有

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*** Dumping AST Record Layout
         0 | class A
         0 |   class B (primary base)
         0 |     (B vtable pointer)
         8 |     int bValue
        16 |   class C (base)
        16 |     (C vtable pointer)
        24 |     int cValue
        28 |   int aPublicValue
        32 |   short aPrivateValue
        36 |   class Base (virtual base)
        36 |     int baseValue
           | [sizeof=40, dsize=40, align=8,
           |  nvsize=34, nvalign=8]

参考

多个基类