C++内存布局(一)

温故而知新，本文浅聊和回顾下C++内存布局的知识。

一、c++内存布局

C++的内存布局主要包括以下几个部分：

• 代码段：存储程序的机器代码。
• .数据段：存储全局变量和静态变量。数据段又分为初始化数据段（存储初始化的全局变量和静态变量）和未初始化数据段（存储未初始化的全局变量和静态变量）。
• 堆：用于动态内存分配。当你使用new或malloc函数时，内存会从堆中分配。
• 栈：用于存储局部变量和函数调用的信息（例如返回地址和参数）。当你调用一个函数时，一个新的栈帧会被压入栈，当函数返回时，这个栈帧会被弹出。
• 常量段：存储常量字符串和其他常量。

代码示例

#include <iostream>

int global_var = 0;  // 初始化的全局变量，存储在初始化数据段
int uninit_global_var;  // 未初始化的全局变量，存储在未初始化数据段

void foo() {
    int local_var = 0;  // 局部变量，存储在栈
    static int static_local_var = 0;  // 静态局部变量，存储在初始化数据段
    int* dynamic_var = new int(0);  // 动态分配的内存，地址在堆，dynamic_var指针变量的生命周期是foo函数栈

    std::cout << "local_var: " << &local_var << std::endl;
    std::cout << "static_local_var: " << &static_local_var << std::endl;
    std::cout << "dynamic_var: " << dynamic_var << std::endl;

    delete dynamic_var;  // 释放动态分配的内存
}

int main() {
    std::cout << "global_var: " << &global_var << std::endl;
    std::cout << "uninit_global_var: " << &uninit_global_var << std::endl;

    foo();

    return 0;
}

二、C++ 类的内存布局

C++类的内存布局主要取决于类的数据成员和继承关系。以下是一些基本的规则：

• 数据成员变量：类的数据成员按照它们在类定义中的顺序存储在内存中。每个数据成员的偏移量是它的类型对齐要求的倍数。

// x64
#pragma pack(push,4) //指定4字节对齐
class TmpClass{}; // 空类sizeof，大小为1

class NoVirtual
{
public:
    int m_i;    // 4字节
    double m_d; // 8字节
    shared_ptr<int> m_ptr; // 8字节 ==》64bit system ；4字节 ==》 32bit system
};
#pragma pack(pop) 

• 成员函数：在C++中，成员函数并不直接存储在每个对象中。相反，所有对象共享同一个成员函数的副本。成员函数的代码存储在代码段，而不是每个对象的内存空间。因此，成员函数不影响类的sizeof大小。
  当你调用一个对象的成员函数时，编译器会自动将对象的地址作为隐藏参数传递给成员函数。这个隐藏参数通常被称为this指针。通过this指针，成员函数可以访问调用它的对象的数据成员。

class NoVirtual
{
    void dc(){}	// 成员函数，内存在代码段
public:
    int m_i;    // 4字节
    double m_d; // 8字节
    shared_ptr<int> m_ptr; // 8字节 ==》64bit system ；4字节 ==》 32bit system
};

• 静态成员变量：静态成员变量不属于类的任何一个对象，它们在所有对象之间共享。静态成员变量存储在全局数据段，而不是对象的内存空间。

• 静态成员函数：静态成员函数也不属于类的任何一个对象。它们没有this指针，因此不能访问类的非静态成员。静态成员函数的地址存储在代码段。

• 继承：如果一个类继承自一个或多个基类，那么基类的数据成员会先于派生类的数据成员存储在内存中。如果有多个基类，那么基类的数据成员按照它们在类定义中的顺序存储。

class Iface
{
public:
    Iface(){MYTRACE();}
    virtual ~Iface(){MYTRACE();}
    virtual void Ifun() = 0;
};


// 继承
class MemLayout : public Iface
{
public:

    MemLayout(){ MYTRACE(); }
    ~MemLayout(){ MYTRACE(); }

    virtual void Ifun() override { MYTRACE(); }

    virtual void dc0(){ MYTRACE(); }
    virtual void dc1(){ MYTRACE(); }

private:
    int m_num = 0;
    static std::string m_desc;
};

std::string MemLayout::m_desc = "hello";

• 虚函数：如果一个类有虚函数(virtual关键字修饰)，那么编译器会为这个类生成一个虚函数表（vtable: 函数指针数组），并在每个对象中添加一个指向虚函数表的指针(vptr)。虚函数表中存储了虚函数的地址。如果一个类继承自一个有虚函数的基类，那么它会继承基类的虚函数表。

class VirtualClass
{
   virtual  void dc(){}
public:
    int m_i;    // 4字节
    double m_d; // 8字节
    shared_ptr<int> m_ptr; // 8字节 ==》64bit system ；4字节 ==》 32bit system
};

• 虚继承：如果一个类使用虚继承，那么编译器会为这个类生成一个虚基类表（vbtable），并在每个对象中添加一个指向虚基类表的指针。虚基类表中存储了虚基类的偏移量。*直白点说，虚继承的派生类的实例化对象，会包含多张虚函数表的（下面有图为证）~，具体有几个vptr ,我们会在《C++内存布局（二）》中详细研究下，尤其是多重继承和钻石继承的场景下。
  

class NoVirtual
{
    void dc(){}
public:
    int m_i;    // 4字节
    double m_d; // 8字节
    shared_ptr<int> m_ptr; // 8字节 ==》64bit system ；4字节 ==》 32bit system
};

class Iface
{
public:
    Iface(){MYTRACE();}
    virtual ~Iface(){MYTRACE();}
    virtual void Ifun() = 0;
};

// 虚继承
class MemLayout : virtual public Iface
{
public:

    MemLayout(){ MYTRACE(); }
    ~MemLayout(){ MYTRACE(); }

    virtual void Ifun() override { MYTRACE(); }

    virtual void dc0(){ MYTRACE(); }
    virtual void dc1(){ MYTRACE(); }

private:
    int m_num = 0;
    static std::string m_desc;
};

std::string MemLayout::m_desc = "hello";