【C++深度剖析教程29】C++对象模型分析下

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今天来继续学习C++对象模型！

在C++编译器内部，类可以理解为结构体
子类是由父类成员叠加子类新成员得到的

下面来写一个程序分析C++的继承类的模型：

#include <iostream>
#include <string>using namespace std;class Demo
{
protected:int mi;int mj;
public:virtual void print(){cout << "mi = " << mi << ", "<< "mj = " << mj << endl;}
};class Derived : public Demo
{int mk;
public:Derived(int i, int j, int k){mi = i;mj = j;mk = k;}void print(){cout << "mi = " << mi << ", "<< "mj = " << mj << ", "<< "mk = " << mk << endl;}
};struct Test
{//void* p; //模拟C++中的指向虚函数表的指针int mi;int mj;int mk;
};int main()
{cout << "sizeof(Demo) = " << sizeof(Demo) << endl; // 加上虚函数virtual后，大小变为12//因为编译器发现是虚函数的时候，会自动//生成一个指针指向虚函数表cout << "sizeof(Derived) = " << sizeof(Derived) << endl;  Derived d(1, 2, 3);Test* p = reinterpret_cast<Test*>(&d); //p与d类型不同，需要用reinterpret_cast进行类型转换cout << "Before changing ..." << endl;d.print();p->mi = 10;  //p作为外界的结构体竟然可以访问d的变量，说明p的内存结构与d的相同p->mj = 20;p->mk = 30;cout << "After changing ..." << endl;d.print();return 0;
}

（注意以上程序用编译器是gcc编译器，所以结构体的字节对齐是4字节默认）

运行结果为：
这里写图片描述

那么久引出了问题：C++多态的实现原理是什么？

C++多态的实现原理：

当类中声明一个虚函数时，编译器会在类中生成一个虚函数表
虚函数表是一个存储成员函数地址的数据结构
虚函数表是由编译器自动生成与维护的
virtual成员函数，会被编译器放进虚函数表中
存在虚函数时，每个对象中都有一个指向虚函数表的指针

如下图：
virtual成员函数，会被编译器放进虚函数表中
这里写图片描述

存在虚函数时，每个对象中都有一个指向虚函数表的指针
这里写图片描述

我们会发现，虚函数的调用过程比普通函数的调用过程复杂，所以虚函数的执行效率低于普通成员函数：
这里写图片描述

下面给出用C语言实现的C++中的虚函数表的相关概念：
51-2.h为：

#ifndef _51_2_H_
#define _51_2_H_typedef void Demo;
typedef void Derived;Demo* Demo_Create(int i, int j);
int Demo_GetI(Demo* pThis);
int Demo_GetJ(Demo* pThis);
int Demo_Add(Demo* pThis, int value);
void Demo_Free(Demo* pThis);Derived* Derived_Create(int i, int j, int k);
int Derived_GetK(Derived* pThis);
int Derived_Add(Derived* pThis, int value);#endif

51-2.c为：

#include "51-2.h"
#include "malloc.h"static int Demo_Virtual_Add(Demo* pThis, int value);
static int Derived_Virtual_Add(Demo* pThis, int value);struct VTable     // 2. 定义虚函数表数据结构
{int (*pAdd)(void*, int);   // 3. 虚函数表里面存储什么？？？
};struct ClassDemo
{struct VTable* vptr;     // 1. 定义虚函数表指针  ==》 虚函数表指针类型？？？int mi;int mj;
};struct ClassDerived
{struct ClassDemo d;int mk;
};static struct VTable g_Demo_vtbl =   //static关键字将该虚函数表隐藏在当前文件内，外部不可见//类似于C++中虚函数表是自动生成的，外部不可见。
{Demo_Virtual_Add
};static struct VTable g_Derived_vtbl = 
{Derived_Virtual_Add
};Demo* Demo_Create(int i, int j)
{struct ClassDemo* ret = (struct ClassDemo*)malloc(sizeof(struct ClassDemo)); if( ret != NULL ){ret->vptr = &g_Demo_vtbl;   // 4. 关联对象和虚函数表ret->mi = i;ret->mj = j;}return ret;
}int Demo_GetI(Demo* pThis)
{struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;    return obj->mi;
}int Demo_GetJ(Demo* pThis)
{struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;return obj->mj;
}// 6. 定义虚函数表中指针所指向的具体函数
static int Demo_Virtual_Add(Demo* pThis, int value)
{struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;return obj->mi + obj->mj + value;
}// 5. 分析具体的虚函数！！！！
int Demo_Add(Demo* pThis, int value)
{struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;return obj->vptr->pAdd(pThis, value);
}void Demo_Free(Demo* pThis)
{free(pThis);
}Derived* Derived_Create(int i, int j, int k) //等同于构造函数
{struct ClassDerived* ret = (struct ClassDerived*)malloc(sizeof(struct ClassDerived));if( ret != NULL ){ret->d.vptr = &g_Derived_vtbl;ret->d.mi = i;ret->d.mj = j;ret->mk = k;}return ret;
}int Derived_GetK(Derived* pThis)
{struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis;return obj->mk;
}static int Derived_Virtual_Add(Demo* pThis, int value)
{struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis; return obj->mk + value;
}int Derived_Add(Derived* pThis, int value)
{   struct ClassDerived* obj = (struct ClassDerived*)pThis;return obj->d.vptr->pAdd(pThis, value);
}

main.c为：

#include "stdio.h"
#include "51-2.h"void run(Demo* p, int v)
{int r = Demo_Add(p, v);printf("r = %d\n", r);
}int main()
{Demo* pb = Demo_Create(1, 2);Derived* pd = Derived_Create(1, 22, 333);printf("pb->add(3) = %d\n", Demo_Add(pb, 3));printf("pd->add(3) = %d\n", Derived_Add(pd, 3));run(pb, 3);run(pd, 3);Demo_Free(pb);Demo_Free(pd);return 0;
}