C++对象模型系列1

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在C++对象模型中，Nonstatic data members被配置于每一个class object之内，static data members则被放在个别的class object之外。static和nonstatic function members也被放在个别的class object之外。

virtual functions则通过下面两个步骤来实现：

  1. 每一个class产生出一堆指向virtual functions的指针，放在表格之中。这个表格被称为virtual table(vtbl)。
  2. 每一个class object被安插一个指针，指向相关的virtual table。通常这个指针被称为vtpr。vtpr的设定和重置由每一个class的constructor、destructor和copy assignment运算符自动完成。每一个class所关联的type_info object(用来支持runtime type identification，RTTI)也经由virtual table被指出来，通常放在表格的第一个slot。

示例1：虚拟继承下的C++对象模型

在下面的代码示例中，Point3d和Vertex虚拟继承自Point2d，Vertex同时继承自Point3d和Vertex。

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#include <iostream>

using namespace std;

class Point2d {
public:
    virtual void print() {
        cout << "I am Point2d" << endl;
    }

    virtual ~Point2d() {}

protected:
    float _x;       // 4字节
    float _y;

};

class Vertex : public virtual Point2d {
public:
    void print() {
        cout << "I am Vertex" << endl;
    }

    ~Vertex() {}

protected:
    Vertex *next;   // 指针,占8字节
};


class Point3d : public virtual Point2d {
public:
    // virtual function print1是Point3d独有的虚函数,不是从基类那里继承来的,但是无论这个虚函数是否存在都不影响Point3d的对象模型
    virtual void print1() {
        cout << "This is my own virtual function, not inherient from my father" << endl;
    }

    ~Point3d() {}

protected:
    float _z;
};

class Vertex3d : public Vertex, public Point3d {
public:
    ~Vertex3d() {}

protected:
    float mumble;
};

void test1() {
    Vertex vx;
//    vx.print();
    cout << "sizeof(Point2d): " << sizeof(Point2d) << endl;         // 16
    cout << "sizeof(Point3d): " << sizeof(Point3d) << endl;         // 32
    cout << "sizeof(Vertex) : " << sizeof(Vertex) << endl;          // 32
    cout << "sizeof(Vertex3d) : " << sizeof(Vertex3d) << endl;      // 48
}

int main() {
    test1();
    return 0;
}

写这个示例的目的是为了验证：在Point3d的对象模型中有两个虚表指针，一个是从其基类Point2d那里继承而来的，另一个是Point3d自身的。

Point2d的对象模型：

point2d
Point3d、Vertex、Vertex3d的对象模型。

point3d_etc

从上图可知，在Point2d中有两个float类型的成员变量和一个指针。故Point2d的大小为16字节；Point3d对象有一个Point2d子对象和一个float类型数据成员z、一个虚表指针Point3d，故大小为16+4+8 = 28，但是因为28不是8的倍数(在64位系统上运行的)，所以28被边界对齐到32字节。同理Vertex的大小为16+8+8=32字节。对于Vertex3d，其大小为16+4+8+4+8+8 = 48字节。

示例2：继承模型下的地址

多重继承下的对象模型

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class A {
    public:
    virtual ~A() {}
};

class B {
    public:
    virtual ~B() {}
};

class C : public A, public B {
};

void test1() {
    C *pC = new C();
    A *pA = (A *) pC;
    B *pB = (B *) pC;
    cout << pA << endl; // 0x5652962dbe70  
    cout << pB << endl; // 0x5652962dbe78
    cout << pC << endl; // 0x5652962dbe70
    cout << "sizeof(*pA):" << sizeof(*pA) << endl;
    cout << "sizeof(*pB):" << sizeof(*pB) << endl;
    cout << "sizeof(*pC):" << sizeof(*pC) << endl;
}

A、B和C的对象模型：
a_b

在将A类型的指针指向C类型的对象时，因为指针指向的实际上是C类型对象中的class A子对象。因为，在A和C类型对象中，A类型子对象都是位于相同的位置(位于对象开始处，偏移量为0)，因此pA和pC的值相同。而在class C object中，B subobject的偏移量为8(即sizeof(A))，因此,pA和pC的值不同。