1. 對象內存布局

(1) 普通類（無虛函數）

• 成員變量排列：按聲明順序存儲，但編譯器會根據內存對齊規則插入填充字節（padding）。

  class Simple {char a;      // 1字節（偏移0）int b;       // 4字節（偏移4，因對齊跳過1-3字節）double c;    // 8字節（偏移8）
  };
  // 總大小：1 + 3(padding) +4 +8 = 16字節（64位系統）
  

• 成員函數：獨立于對象存儲，編譯時轉換為普通函數，隱式添加 this 指針參數。

(2) 含虛函數的類

• 虛表指針（vptr）：對象頭部插入一個指針，指向類的虛函數表（vtable）。
• 虛函數表（vtable）：一個函數指針數組，按虛函數聲明順序存儲地址。

  class Base {
  public:virtual void func1() {}    // vtable[0]virtual void func2() {}    // vtable[1]int data;                  // 偏移8（假設vptr占8字節）
  };
  

  內存布局：[vptr][data]
  vtable內容：[&Base::func1, &Base::func2]

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2. 虛函數與動態綁定

(1) 多態實現流程

• 對象構造時：編譯器在構造函數中插入代碼，將 vptr 指向當前類的虛表。
• 函數調用時：通過 vptr 找到虛表，再根據函數聲明順序索引到具體函數地址。

  Base* obj = new Derived();
  obj->func1();  // 實際調用 Derived::func1()
  

  底層偽代碼：

  mov rax, [obj]        ; 獲取vptr
  call [rax + 0]        ; 調用vtable[0]處的函數
  

(2) 覆蓋與擴展

• 派生類覆蓋虛函數：替換基類虛表中對應的函數指針。
• 派生類新增虛函數：在虛表末尾追加新條目。

  class Derived : public Base {
  public:void func1() override {}  // 替換Base的vtable[0]virtual void func3() {}   // 追加到vtable[2]
  };
  

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3. 繼承機制

(1) 單繼承

• 內存布局：基類成員在前，派生類成員在后。

  class Base { int a; };
  class Derived : public Base { int b; };
  // 布局：[Base::a][Derived::b]
  

• 虛函數表：派生類虛表繼承基類虛表條目并覆蓋或擴展。

(2) 多重繼承

• 內存布局：按繼承順序排列各基類子對象，每個多態基類有自己的 vptr。

  class Base1 { virtual void f1() {} };
  class Base2 { virtual void f2() {} };
  class Derived : public Base1, public Base2 {};
  

  布局：[Base1 vptr][Base1 data][Base2 vptr][Base2 data][Derived data]

• 指針調整：當將 Derived* 轉換為 Base2* 時，編譯器自動調整指針偏移。

  Derived d;
  Base2* pb2 = &d;  // 指針實際指向 Base2 子對象起始地址
  

(3) 虛繼承（解決菱形繼承）

• 虛基類子對象共享：所有虛繼承路徑共享同一個基類實例。

  class A { int a; };
  class B : virtual public A { int b; };
  class C : virtual public A { int c; };
  class D : public B, public C { int d; };
  

  布局：

  • B 部分：[B vptr][B::b][虛基類A的偏移信息]
  • C 部分：[C vptr][C::c][虛基類A的偏移信息]
  • D::d
  • 共享的 A::a（位于對象尾部）

• 虛基類表（vbtl）：存儲虛基類子對象的偏移量，供構造函數初始化時使用。

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4. 構造函數與析構函數

(1) 構造過程

• 隱式操作：編譯器在構造函數中自動插入以下代碼：
  1. 調用基類構造函數。
  2. 初始化 vptr（確保多態正確）。
  3. 初始化虛基類（若存在）。
  4. 執行成員變量的初始化列表。
  5. 執行用戶編寫的構造函數體。

(2) 虛析構函數

• 必要性：若基類析構函數非虛，通過基類指針刪除派生類對象會導致資源泄漏（派生類析構函數不被調用）。
• 實現：虛析構函數在虛表中占用一個條目，確保動態綁定到實際對象的析構函數。

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5. 函數調用與 this 指針

(1) 成員函數調用

• 成員函數被編譯為普通函數，首個參數為隱式 this 指針。

  // 源代碼
  void MyClass::func(int x) { ... }// 編譯后偽代碼
  void MyClass_func(MyClass* this, int x) { ... }
  

(2) 虛函數調用

• 通過 vptr 和 vtable 動態解析函數地址，等價于：

  // obj->virtual_func() 的底層行為
  (*(obj->vptr[n]))(obj);  // n為虛函數在表中的索引
  

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6. 內存對齊與優化

• 對齊規則：變量地址通常是其類型大小（sizeof）的整數倍。例如：
  • int（4字節）的地址需是4的倍數。
  • double（8字節）的地址需是8的倍數。
• 手動調整對齊：

  #pragma pack(1)       // 設置1字節對齊（禁用填充）
  struct Unaligned {char a;           // 偏移0int b;            // 偏移1（正常情況下會填充到偏移4）
  };
  #pragma pack()        // 恢復默認對齊
  

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7. 模板與異常處理的影響

(1) 模板實例化

• 每個模板實例化會生成獨立的代碼，可能導致代碼膨脹。例如：

  template<typename T>
  class Box { T data; }; Box<int> a;   // 生成 Box<int> 的代碼
  Box<double> b;// 生成 Box<double> 的代碼
  

(2) 異常處理

• 棧展開（Stack Unwinding）：拋出異常時，析構局部對象需要依賴虛函數表信息（若涉及多態）。

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總結

《深度探索C++對象模型》揭示了C++語法背后的底層實現邏輯，理解這些機制可幫助開發者：

1. 優化性能：通過內存布局調整減少緩存未命中（Cache Miss）。
2. 調試復雜問題：如多態失效、內存對齊錯誤、菱形繼承問題。
3. 避免未定義行為：如錯誤轉換指針導致的內存訪問錯誤。
4. 設計高效類：權衡虛函數開銷與靈活性。