C++ 对象模型 | 关于对象

一、C++ 对象模型

1、对象内存布局

在C++中，有两种数据成员：static和nonstatic，以及三种成员方法static、nonstatic、virtual，下面从虚函数、非虚函数、静态成员变量、非静态成员变量等维度来分析，类对象的内存布局。例如：下面定义一个Point类，包含前面四种类型的成员

#include <iostream>
using namespace std;

class Point
{
public:
    Point(double val);
    virtual ~Point();         // virtual function numbers
    double GetPoint();        // notstatic function numbers
    static int PointCount();  // static function numbers
private:
    double m_x;           // notstatic data numbers
    static int m_count;   // static data numbers
};

int Point::m_count = 0;

Point::Point(double val):m_x(val) {}
Point::~Point() {}
double Point::GetPoint(){ return m_x; }
int Point::PointCount(){ return m_count; }

int main()
{
    Point pt(10.0);
    cout << sizeof(pt) << endl;  // 输出结果：16
    return 0;
}

一个实例对象中包含非静态数据成员、虚表指针以及为对齐而必需的填充、静态成员变量、函数独立于单个实例化对象。

总结：影响C++对象大小的三个因素：非静态数据成员、虚函数和字节对齐

2、空对象

C++规定空类对象大小至少为1字节，只是为了区分实例化对象。如果创建了多个空类的对象，可以通过对象的内存地址区分。例如：下面创建一个空类Empty

#include <iostream>
using namespace std;

class Empty
{
};

int main()
{
    Empty e;
    cout << sizeof(e) << endl;  // 输出结果：1
    return 0;
}

3、数据成员的声明顺序与内存布局

3.1、声明顺序与内存布局

同一访问级别的非静态数据成员声明顺序与内存中的布局是一致的（即：先声明的非静态数据成员，先分配内存地址）。不同访问控制级别的非静态数据成员，未规定内存分配顺序，但是实际上，编译是按照声明顺序来安排内存，例如：定义一个Point3d类，并打印出成员地址

#include <iostream>
using namespace std;

class Point3D
{
public:
    void Print() const {
        cout << "this addr " << this << endl;
        cout << "m_x addr " << &m_x << endl;
        cout << "m_y addr " << &m_y << endl;
        cout << "m_z addr " << &m_z << endl;
    }

private:
    int m_x;
    int m_y;
    int m_z;
};

int main()
{
    Point3D obj;
    obj.Print();

    return 0;
}

输出结果

this addr 0x61fe14
m_x addr 0x61fe14
m_y addr 0x61fe18
m_z addr 0x61fe1c

Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.241 s
Press any key to continue.

3.2、声明顺序对内存的影响

字节对齐要求，对不同大小字节的非静态数据成员的声明顺序有什么启发？例如：分别定义Point3D与Point3D_Extend类，两个类具有相关的非静态数据成员，但是声明顺序不一样，两个类对象占用的内存大小也不一样

#include <iostream>
using namespace std;

class Point3D
{
private:
    int m_x;
    short m_w;
    int m_y;
    short m_v;
};

class Point3D_Extend
{
private:
    int m_x;
    int m_y;
    short m_w;
    short m_v;
};

int main()
{
    Point3D obj1;
    Point3D_Extend obj2;
    cout << "Point3D object size: " << sizeof(obj1) << endl;
    cout << "Point3D_Extend object size: " <<sizeof(obj2) << endl;

    return 0;
}

输出结果：

Point3D object size: 16
Point3D_Extend object size: 12

Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.241 s
Press any key to continue.

结论：相同大小的非静态数据成员放在一起，可以减少一个类对象内存占用

4、继承下的内存布局（非多态）

4.1、单继承内存布局

当把一个大的object赋值给小的object时，会引起object的切割，将大object的subobject赋值给小的object。C++保证出现在derived class中的base class subobject有其完整原样性（即：派生类对象中有一个完整的基类对象）。例如：分别定义Point2d与Point3d类

#include <iostream>
using namespace std;

class Point2D
{
protected:
    int m_x;
    short m_y;
};

class Point3D : public Point2D
{
private:
    short m_z;
};

int main()
{
    Point2D *p1, *p2;
    p1 = new Point2D;
    p2 = new Point3D;
    *p1 = *p2;  // 大的对象赋值给小的对象时，会引起对象的切割

    return 0;
}

4.2、多继承与多重继承的对象布局

多继承场景内存布局同单继承场景类似，如下：