C++类成员内存分布详解

本文将探讨C++类中成员变量的内存分布情况，包括普通成员、静态成员、虚函数等不同情况下的内存布局。

一、基本成员内存布局

1. 普通成员变量

普通成员变量按照声明顺序在内存中连续排列（受访问修饰符和内存对齐影响）：

class NormalClass {
public:int a;      // 4字节char b;     // 4字节（考虑int对齐）double c;   // 8字节char d;     // 8字节（考虑double 对齐）
};
// sizeof(NormalClass) = 24 (考虑对齐填充)

内存布局：

| 0-3: int a | 4: char b | 5-7: padding | 8-15: double c | 16: char d | 17-23: padding |

2. 带继承的内存布局

派生类的成员追加在基类成员之后：

class Base {
public:int base_var; // 4字节
};class Derived : public Base {
public:int derived_var; // 4字节，再加上Base 类的 4字节，总共8字节
};

内存布局：

| 0-3: Base::base_var | 4-7: Derived::derived_var |

二、静态成员的内存分布

静态成员不占用类实例的内存空间，存储在全局数据区：

class WithStatic {
public:int normal_var;         // 占用实例空间static int static_var;  // 不占用实例空间
};
// sizeof(WithStatic) == sizeof(int)

三、虚函数对内存的影响

1. 含有虚函数的类

编译器会隐式添加虚表指针(vptr)，通常放在对象起始位置，虚函数表（vtable）本身不占用类实例的内存空间，vtable 存储在程序的只读数据段（全局静态区），每个类（而非对象）共享一个 vtable。虚表指针（vptr）会占用类实例的内存空间，每个对象实例中存储一个指向 vtable 的指针，在 64 位系统中占用 8 字节，32 位系统中占用 4 字节：

class WithVirtual {
public:virtual void foo() {}  // 添加vptrint a;
};
// 在32位系统上sizeof(WithVirtual) == 8 (vptr + int)
// 在64位系统上sizeof(WithVirtual) == 16 (vptr + int + padding)

内存布局(64位系统)：

| 0-7: vptr | 8-11: int a | 12-15: padding |

2. 继承体系中的虚函数

派生类与基类共享同一个vptr（单继承情况下）：

class BaseWithVirtual {
public:virtual void foo() {}int base_var;
};class DerivedVirtual : public BaseWithVirtual {
public:virtual void bar() {}  // 添加到虚表int derived_var;
};

内存布局（64位系统）：

| 0-7: vptr | 8-11: Base::base_var | 12-15: Derived::derived_var |

四、多继承的内存布局

多继承情况下，每个基类子对象按声明顺序排列：

class Base1 { public: int base1_var; };
class Base2 { public: int base2_var; };class MultiDerived : public Base1, public Base2 {
public:int derived_var;
};

内存布局：

| 0-3: Base1::base1_var | 4-7: Base2::base2_var | 8-11: derived_var |

五、验证内存布局的代码

#include <iostream>
#include <cstddef>#define PRINT_OFFSET(className, member) \std::cout << "Offset of " #member ": " \<< offsetof(className, member) << std::endlstruct Test {virtual void foo() {}  // 添加vptrint a;char b;static int c;
};int main() {std::cout << "Sizeof Test: " << sizeof(Test) << std::endl;PRINT_OFFSET(Test, a);  // 64位系统输出 8PRINT_OFFSET(Test, b);  // 64位系统输出 12return 0;
}

总结表格

特性	是否影响实例大小	存储位置
普通成员变量	是	栈/堆
静态成员变量	否	全局数据区
虚函数	是（添加vptr）	虚表
继承	是	追加基类成员
虚继承	是	更复杂布局