引言

如《Effective C++》中所言，C++是一个语言联邦，它由以下四部分组成：

• C：可以理解为兼容C的那部分，即面向过程的；
• Object-Oriendted C++：即C++面向对象的部分，封装、继承、多态；
• Template C++：即泛型编程；
• STL：标准模版库，主要包含容器、迭代器、算法等。

面向过程：如C语言，数据和**处理数据的操作(即函数)**是分开的，也就是说语言本身并没有支持数据和函数之间的关联性。

本文我们要谈的就是C++面向对象的部分内容。

• 封装：于C++而言，封装实际上指的就是class，通过class把数据和函数封装在一起，对外只提供类的接口，而把实现细节隐藏起来，同时还可以通过访问权限制定数据和函数的安全等级，从而提高了安全性和隐私性。
• 继承：继承可以理解为代码复用，是为了提高代码的复用性和可扩展性。子类继承父类，在保留“家族传统”的同时，还允许子类有自己的“小个性”。对于父类中的数据成员，子类完整的继承下来，所谓“完整”是指这种继承是要占用内存的；而对于父类的成员函数，子类继承的只是函数的调用权。
• 多态：多态可以理解为接口复用，也就是通过不同的方式调用“相同的接口”将产生不同的操作。多态分为静态多态和动态多态，静态多态通过重载实现，动态多态通过虚函数实现。

多态中，关于“相同的接口”中的“相同”，不同形式的多态有一些程度上的区分。一个函数由返回类型、函数名、函数形参、函数体四部分组成。

• 静态多态：通过重载实现，“相同”指的是函数名相同，函数形参必须不同，返回类型相同不相同都可以，既然要实现不同功能，函数体当然也是不同的；
• 动态多态：通过子类重写父类的虚函数实现，“相同”指的是除了函数体外其他完全相同，返回类型、函数名、函数形参都相同，只有函数体不同（为实现不同功能）。

静态多态是在编译期就确定下来的，编译器编译的时候会把这些函数加上各自的形参信息，这样实际上还是不同的函数，从而实现静态多态。重载的函数都在同一个类里面。

动态多态是在运行期才能确定下来。

C++对象基本模型

所谓C++对象模型，可以理解为对于各种支持的底层实现机制，这里我们简单关注C++对象在内存中的布局。 C++类的成员可以归纳为以下两大类五小类：

• 成员函数
  • 静态成员函数(static member functions)
  • 非静态成员函数(non-static member functions)
  • 虚成员函数(virtual member functions)
• 数据成员
  • 静态数据成员(static data members)
  • 非静态数据成员(non-static data members)

那么，我们可以定义这样一个类Base，在不考虑继承的情况下，它囊括了类的所有可能的成员。

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class Base{
public:
    static int fun_1(); //static member function
    int fun_2(); //non-static member function
    virtual int fun_3(){} //virtual member function
private:
    static int data_1; //static data member
    int data_2; //non-static data member
};

对于这样一个类Base，实例化后，它的对象占多少字节呢？先给出答案：

• 在32位机器上，sizeof(Base)得到的值为8；
• 在64位机器上，sizeof(Base)得到的值为16。

为什么是这样的值呢？这是由C++对象模型所决定的。在C++对象模型中：

• 非静态数据成员（如data_2）由类的每个对象各自保存,根据对象的内存分配方式，存储在Heap或Stack；
• 静态数据成员（如data_1）只分配一次内存，由类的所有对象共用，存储在数据段(.data)；
• 静态成员函数（如fun_1）和非静态成员函数（如fun_2）均存储在代码段（.text）；
• 虚函数（如fun_3）也存储在代码段（.text），并以以下2个步骤支持之：
  • 类产生一堆指向虚成员函数的指针，这些指针放在一个表中，称为虚表(virtual table)；
  • 类的每个对象都存储一个指针vptr，它指向虚表。

vptr指针存放在对象内存的前四个字节，虚表存放在只读数据段(.rodata)。

也就是说，类实例化后，对象内只有非静态数据成员和虚指针vptr。这就能解释为什么sizeof(Base)的结果是8（32位机器）和16（32位机器）了：

• int型的data_1占4个字节；
• vptr是指针，与机器相关，32位下占4字节，64位下占8字节；
• 内存对齐填补的空间。

以上三部分加起来，就是每个Base类所占的内存大小。

C++对象内存布局

对于上述Base类，以32位平台为例，用以下分配方式分配内存后，其内存布局如下图所示。

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int main(){
	Base* ptr = new Base;
}

注：上图的内存布局旨在描述一种通用模型，而具体的要视平台、编译器而定。

References