深入解析C++ Data Member內存布局

更新時間：2013年07月09日 15:08:42 投稿：jingxian

本篇文章是對C++中的Data Member內存布局進行了詳細的分析介紹，需要的朋友參考下

如果一個類只定義了類名，沒定義任何方法和字段，如class A{};那么class A的每個實例占用1個字節(jié)的內存，編譯器會會在這個其實例中安插一個char，以保證每個A實例在內存中有唯一的地址，如A a,b;&a!=&b。如果一個直接或是間接的繼承（不是虛繼承）了多個類，如果這個類及其父類像A一樣沒有方法沒有字段，那么這個類的每個實例的大小都是1字節(jié)，如果有虛繼承，那就不是1字節(jié)了，每虛繼承一個類，這個類的實例就會多一個指向被虛繼承父類的指針。還有一點值得說明的就是像A這樣的類，編譯器不一定會產生傳說中的那6個方法，這些方法只會在需要的時候產生，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生，如果這個類實例化了，那么會產生default constructor，而destructor則不一定產生。

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

復制代碼代碼如下:

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的每個實例中可能有不同的值，當然屬于Point實例的一部分，如果把maxCount定義成static，那它就不不是Point實例的一部分了，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的實例無關，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，內存（虛擬地址）就分配好了，在程序加載的時候，會把他們的虛擬地址對應上實際的物理地址。

Data member的內存布局：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中因為他們只有一份，被class object共享，所以static data member和const data member，枚舉并不會響應class object的大小。關于段的信息，我覺得是每個C/C++程序員必須知道的。而Point每次實例化的時候則只需要分配X，Y，maxCount需要的內存。

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

復制代碼代碼如下:

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3字節(jié)對齊
Sizeof(CC)=16//編譯器用了3個3字節(jié)對齊

編譯器為什么的在class CC中加3個3字節(jié)對齊呢，這樣每個CC的實例就大了9字節(jié)。如果編譯器不加這9字節(jié)的空白，那么CC的每個實例就是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)內存，同樣的AA，BB都是8字節(jié)的內存，這樣的話，如果把一個指向AA實例的指針賦給一個指向CC實例的指針，那么就會把AA中的8字節(jié)直接蓋到CC的8字節(jié)上，結果CC實例中的b，c都被賦上了不是我們想要的值，這很可能會導致你的程序出問題。

父類的data member會在子類的實例中有完整的一份，這樣在有繼承關系的類之間進行類型轉換，就只用簡單的修改指針的指向。

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

c.X=1;相當于&c+(&CC::X-1),減一其實是為了區(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data member的偏移量在編譯的時候是知道的，根據(jù)成員變量的類型和內存對齊，存在virtual繼承或是虛方法的情況編譯器會自動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，因為他們的存儲其實都是&obj+(&class.datamember-1)。在虛繼承的情況下，可能會影響存儲性能，如通過一個指針來存取一個指向虛繼承而來的data member，那么性能會有影響，因為在虛繼承的時候，在編譯的時候還不能確定這個data member是來自子類還是父類，只有在運行的時候才能推斷出來，其實就是多了一步指針的操作，在虛繼承中，如果是通過對象實例來操作虛繼承而來的data member，則不會有任何性能問題，因為不存在什么多態(tài)性，所有東西在編譯的時候內存地址都確定了。

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