C++类的内存布局

1、C++结构体与类布局基本规则（编译器为VS2022）

C中结构体内存布局基本规则如下：

• 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；
• 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal adding）；
• 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）。

  C++中类的起始地址似乎没有遵守第一条规则，目前测试发现其首地址总是4的倍数。类对象的地址规定为类中第一个非静态变量的起始地址，因为静态变量不属于任何一个对象，它存放在全局区。

#include<iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
	static int i;
	int a=5;
	double b;
	void func1() {}
	void func2() {}
};
int Animal::i = 5;
int main() {
	Animal ani;
	cout << &ani << endl; //0053FDB4
	cout << &Animal::i << endl; //0058A000
	cout << &ani.a << endl; //0053FDB4
	cout << sizeof(Animal); //16，
	return 0;
}

  通过以下代码发现，C++中类的内存布局经过测试发现是完全遵守第二条规则的。

#include<iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
	bool b_;
	int a=5;
	double b;
	void func1() {}
	void func2() {}
};
int main() {
	Animal ani;
	cout << sizeof(ani.b_) << endl; //1
	cout << &ani.b_ << endl; //00BBF794
	cout << &ani.a << endl; //00BBF798
	cout << &ani.b << endl; //00BBF79C
	return 0;
}

  通过以下代码发现，C++中类的内存布局经测试发现是严格遵守第三条规则的。

#include<iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
	bool b_;
	int a=5;
	double b;
	void func1() {}
	void func2() {}
};
int main() {
	Animal ani;
	cout << sizeof(ani) << endl; //16
	return 0;
}

2、C++中带有虚函数的类布局

（1）观察C++中一个普通类的布局：

#include<iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
	bool b_;
	int a=5;
	double b;
	void func1() {}
	void func2() {}
	void func3() {}
	void func4() {}
	void func5() {}
	
};
int main() {
	Animal ani;
	cout << sizeof(ani) << endl; //16
	return 0;
}

使用VS2022开发工具Developer PowerShell for VS 2019，在对应文件夹下输入命令cl /d1 reportSingleClassLayout类名 文件名.cpp，可以得到类Animal的内存结构图示：

图1：普通类的内存描述

左边0、4、8表示属性相对起始位置的偏移字节数，<alignment member>(size=3) 表示为了对其而占用的三个字节。

（2）带有虚函数的类内存布局。

#include<iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
	bool b_;
	int a=5;
	double b;
	void func1() {}
	virtual void func2() {}
	virtual void func3() {}
	virtual void func4() {}
	virtual void func5() {}
};
int main() {
	Animal ani;
	cout << sizeof(ani) << endl; //24
	return 0;
}

图2：带虚函数类的内存描述

可以看到带有虚函数的类所占空间多了8个字节，这是因为在类起始位置多了vfptr（虚函数（表）指针），它指向虚函数表（vftable）；vftable内部记录了虚函数的入口地址。

（3）虚函数类的子类内存布局。

#include<iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
	bool b_;
	int a=5;
	double b;
	void func1() {}
	virtual void func2() {}
	virtual void func3() {}
	virtual void func4() {}
	virtual void func5() {}
	
};
class Cat :public Animal {
	virtual void func3() {}
	virtual void func4() {}
};
int main() {
	Cat cat;
	cout << sizeof(cat) << endl; //24
	return 0;
}

图3：虚函数子类的内存描述

可以看到在子类Cat中，父类Animal的属性被全部继承了下来，但是在子类Cat的虚函数表中可以发现子类Cat重写的函数其函数地址被换成了重写后的函数地址。当我们用一个父类Animal指针指向子类Cat对象，即Animal cat = new Cat()之后，执行cat.func2()语句，系统就会根据子类的虚函数表找到正确的子类重写后的函数。