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深入解析C++ Data Member內(nèi)存布局

更新時(shí)間：2013年07月09日 15:08:42 投稿：jingxian

本篇文章是對C++中的Data Member內(nèi)存布局進(jìn)行了詳細(xì)的分析介紹，需要的朋友參考下

如果一個(gè)類只定義了類名，沒定義任何方法和字段，如class A{};那么class A的每個(gè)實(shí)例占用1個(gè)字節(jié)的內(nèi)存，編譯器會(huì)會(huì)在這個(gè)其實(shí)例中安插一個(gè)char，以保證每個(gè)A實(shí)例在內(nèi)存中有唯一的地址，如A a,b;&a!=&b。如果一個(gè)直接或是間接的繼承（不是虛繼承）了多個(gè)類，如果這個(gè)類及其父類像A一樣沒有方法沒有字段，那么這個(gè)類的每個(gè)實(shí)例的大小都是1字節(jié)，如果有虛繼承，那就不是1字節(jié)了，每虛繼承一個(gè)類，這個(gè)類的實(shí)例就會(huì)多一個(gè)指向被虛繼承父類的指針。還有一點(diǎn)值得說明的就是像A這樣的類，編譯器不一定會(huì)產(chǎn)生傳說中的那6個(gè)方法，這些方法只會(huì)在需要的時(shí)候產(chǎn)生，如class A沒有被任何地方使用那這些方法編譯器就沒有必要產(chǎn)生，如果這個(gè)類實(shí)例化了，那么會(huì)產(chǎn)生default constructor，而destructor則不一定產(chǎn)生。

如果一個(gè)類中有static data member，nonstatic data member，還有const data member，enum，那么它的內(nèi)存布局會(huì)是什么樣的呢，看下面簡單的類Point：

復(fù)制代碼代碼如下:

class Point
{
public:
    Point():maxCount(10){}
private:
    int X;
    static int count;
    int Y;
    const int maxCount ;
    enum{
        minCount=2
    };
};

Sizeof(Point)=12,為什么占12字節(jié)呢，我相信很多人都知道是哪幾個(gè)成員變量占用的，就是X,Y,maxCount,maxCount作為常量字段，但在Point的每個(gè)實(shí)例中可能有不同的值，當(dāng)然屬于Point實(shí)例的一部分，如果把maxCount定義成static，那它就不不是Point實(shí)例的一部分了，如果定義成static const int maxCount=1;則maxCount分配在.data段中，如果沒有初始化則分配在.bss段中，反正跟Point的實(shí)例無關(guān)，count分配在.bss段中，minCount分配在.rdata段中，總之count，maxCount，minCount在編譯連接完成之后，內(nèi)存（虛擬地址）就分配好了，在程序加載的時(shí)候，會(huì)把他們的虛擬地址對應(yīng)上實(shí)際的物理地址。

Data member的內(nèi)存布局：nonstatic data member在class object中的順序和其申明的順序一樣，static data member和const member不在class object中因?yàn)樗麄冎挥幸环?，被class object共享，所以static data member和const data member，枚舉并不會(huì)響應(yīng)class object的大小。關(guān)于段的信息，我覺得是每個(gè)C/C++程序員必須知道的。而Point每次實(shí)例化的時(shí)候則只需要分配X，Y，maxCount需要的內(nèi)存。

每個(gè)類的data member在內(nèi)存中應(yīng)該是連續(xù)的，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)對齊的情況，可能中間會(huì)有空白地帶。請看下面幾個(gè)類：

復(fù)制代碼代碼如下:

class AA
{
protected:
int X;
char a;
};

class BB:public AA
{
protected:
char b;
};

class CC:public BB
{
protected:
char c;
};

Sizeof(AA)=8//對齊3字節(jié)
Sizeof(BB)=12//兩個(gè)3字節(jié)對齊
Sizeof(CC)=16//編譯器用了3個(gè)3字節(jié)對齊

編譯器為什么的在class CC中加3個(gè)3字節(jié)對齊呢，這樣每個(gè)CC的實(shí)例就大了9字節(jié)。如果編譯器不加這9字節(jié)的空白，那么CC的每個(gè)實(shí)例就是8字節(jié)，前面的X占4字節(jié)，后面的a,b,c占3字節(jié)，加1字節(jié)的空白對齊，剛好8字節(jié)，沒有誰很傻很天真的以為最好是占7字節(jié)吧。

如果CC占用8字節(jié)內(nèi)存，同樣的AA，BB都是8字節(jié)的內(nèi)存，這樣的話，如果把一個(gè)指向AA實(shí)例的指針賦給一個(gè)指向CC實(shí)例的指針，那么就會(huì)把AA中的8字節(jié)直接蓋到CC的8字節(jié)上，結(jié)果CC實(shí)例中的b，c都被賦上了不是我們想要的值，這很可能會(huì)導(dǎo)致你的程序出問題。

父類的data member會(huì)在子類的實(shí)例中有完整的一份，這樣在有繼承關(guān)系的類之間進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，就只用簡單的修改指針的指向。

Data Member的存取。對一個(gè)data member的存取，編譯器把對象實(shí)例的起始地址加上data member的偏移量。如CC c;

c.X=1;相當(dāng)于&c+(&CC::X-1),減一其實(shí)是為了區(qū)分是指向object的指針還是指向data member的指針，指向data member的要減一。每一個(gè)data member的偏移量在編譯的時(shí)候是知道的，根據(jù)成員變量的類型和內(nèi)存對齊，存在virtual繼承或是虛方法的情況編譯器會(huì)自動(dòng)加上一些輔助的指針，如指向虛方法的指針，指向虛繼承父類的指針等。

在data member的存取效率上，struct member 、class member、單一繼承或是多重繼承的情況下效率都是一樣的，因?yàn)樗麄兊拇鎯?chǔ)其實(shí)都是&obj+(&class.datamember-1)。在虛繼承的情況下，可能會(huì)影響存儲(chǔ)性能，如通過一個(gè)指針來存取一個(gè)指向虛繼承而來的data member，那么性能會(huì)有影響，因?yàn)樵谔摾^承的時(shí)候，在編譯的時(shí)候還不能確定這個(gè)data member是來自子類還是父類，只有在運(yùn)行的時(shí)候才能推斷出來，其實(shí)就是多了一步指針的操作，在虛繼承中，如果是通過對象實(shí)例來操作虛繼承而來的data member，則不會(huì)有任何性能問題，因?yàn)椴淮嬖谑裁炊鄳B(tài)性，所有東西在編譯的時(shí)候內(nèi)存地址都確定了。

虛繼承還是虛方法為了實(shí)現(xiàn)多態(tài)一樣，多了一步，如果不需要多態(tài)，而是通過對象實(shí)例調(diào)用相關(guān)的方法就不會(huì)有性能問題。