物件的記憶體布局

Question

對 C++ 物件一個常見的誤解

那篇文章的作者說"成員函式獨立存在於程式的 code section，不會佔用個別物件的空間"，那物件呼叫函式時會怎麼處理呢?thiscall和vtable又是什麼?

? · Accepted Answer

我試著用程式碼簡單解釋：

class MyClass
{
public:
    int i;
    int float f;
public:
    void SetValues(int Value)
    {
        this->i = Value;
        f = Value;  // The same as this->f=Value;
    }
};

這個 class 等於 C 語言的：

typedef struct MyClass
{
    int i;
    int f;
} MyClass;

如你所見，裡面沒有任何 function 的資料。
至於那個 class member function 則等同 C 語言的：

void MyClass_SetValues(MyClass *this, int Value)
{
    this->i = Value;
    this->f = Value;
}

意思就是說，C++ 的成員函式其實是感覺上隸屬於某個 class，實際上他就是一個普通的函式，所以不會佔用物件空間。
至於 this call，最大的重點就是他偷偷幫你傳入 this 指標做為第一個函式參數(叫作隱含傳入)。函式裡面可以直接使用物件成員，就像那個 i=Value 一樣，這是一個方便的方法，但實際上編譯器會自動幫你改為 this->i=Value。
不過，若你把函式宣告為 static，那就不會有 this 被傳入了。所以 static 成員函式不需要有實體物件就能呼叫，當然他裡面也沒辦法使用物件成員。

至於 vtable，他是 Virtual Table 的縮寫，顧名思義和 virtual function 有關，我一樣用程式碼舉例：

class Myface
{
public:
    int i;
public:
    virtual int Func1() =0;
    virtual int Func2() { return i; }
};

class MyClass : public Myface
{
public:
    int j;
public:
    virtual int Func1() { return i; }
    virtual int Func2() { return j; }
}

這東西等同於 C 的：

typedef struct MyVTable
{
    int(*Func1)(void *this);
    int(*Func2)(void *this);
} MyVTable;

// Myface

static
typedef struct Myface
{
    MyVTable *VTable;
    int i;
} Myface;

static
int Myface_Func2_Real(Myface *this)
{
    return this->i;
}

static
MyVTable Myface_VTable =
{
    // 這邊示意而已，不一定能編譯通過
    .Func1 = NULL,
    .Func2 = Myface_Func2_Real,
};

void Myface_Init(Myface *this)
{
    ((MyVTable*)this) = &Myface_VTable;
}

int Myface_Func1(Myface *this)
{
    return this->VTable.Func1(this);
}

int Myface_Func2(Myface *this)
{
    return this->VTable.Func2(this);
}

// MyClass

static
typedef struct MyClass
{
    Myface Inheri;
    int j;
} MyClass;

static
int MyClass_Func1_Real(MyClass *this)
{
    return this->j;
}

static
int MyClass_Func2_Real(MyClass *this)
{
    return this->j;
}

static
MyVTable MyClass_VTable =
{
    // 這邊示意而已，不一定能編譯通過
    .Func1 = MyClass_Func1_Real,
    .Func2 = MyClass_Func2_Real,
};

void MyClass_Init(MyClass *this)
{
    Myface_Init(&this->Inherit);
    ((MyVTable*)this) = &MyClass_VTable;
}

以上所見，vtable 是為了 virtual function 而存在，並且被規定必須被放在物件記憶體分配中的首位。
由於同一個 Class 產生的不管多少物件實體都使用同一個 vtable，所以一個 class 只有一個 vtable，物件實體只要保有一個指標就可以了。

2015-03-08 22:55:21 補充：
> 這麼理解對吧?
是的。

> 但是為什麼…
基本上，C++ 的 class 等同於 C 的 struct，除了 class 多了更多功能，以及預設成員為 private 以外。
所以當放入一個 double 成員時，物件的大小當然就變 8。
當放入 virtual function，因為這時物件要放入一個 virtual table 的指標，所以就多了 4 (實際上不一定是 4，而是一個指標的大小，在 64 位元平臺上會變成 8)。
至於沒有任何成員的時候(這裡不算上一般成員函式，因為他們不佔物件空間)，物件大小不就變成 0 了？

2015-03-08 22:55:33 補充：
這個狀況在有些地方可能會發生一些意外狀況，比方說 malloc(sizeof(Test)) 出來的東西應該是什麼？
所以這時候編譯器會強制幫你加一些無用的空間，讓物件實體的大小不是零。
至於這個數值是由實做定義的，也就是說你不能假定無成員的 class 一定是多大，像我就見過 4 的，而你這裡會跑出 1。

2015-03-08 22:59:48 補充：
至於
加入test2()，sizeof(test)=4
加入double t，sizeof(test)=16 
為什麼不是 4 + 8 --> 12，而是變成 16？
這就牽涉到 memory alignment 的議題了！

John · Answer

程式也是一段數據, 只是該數據做為執行命令, 而不是計算用的資料.

主要意思是, 程式碼數據在記憶體中為共用區塊.
各物件的實體, 是共用程式區塊;
而資料所佔的記憶體, 會是個別實體物件獨立自行存放與管理.

ex:

Class A{
int Var1, Var2, Var3;
void FuncA();
void FuncB();
}

new A => 生成新物件實體.
每次生成新的物件實體, Var1, Var2, Var3, 都會重新取得記憶空間, 佔用之.
但是, FuncA, FunB, 則是不額外佔據記憶體空間, 只會有一份, 作為共用.

物件的記憶體布局

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