一、C++對象模型核心原理

1. 對象內存布局基礎原理

設計哲學：

• 零開銷原則：不為未使用的特性付出代價（如無虛函數則無vptr）
• 兼容性：C結構體在C++中保持相同內存布局
• 多態支持：通過虛函數表實現運行時動態綁定

內存布局實現機制：
編譯器處理步驟：

1. 成員排列：嚴格按聲明順序排列
2. 偏移量計算：

   offset = (previous_offset + previous_size + alignment - 1) & ~(alignment - 1)
   

3. 填充插入：在成員間插入padding滿足對齊
4. 尾部填充：確保結構體大小為最大對齊值的整數倍

class Simple {char c;     // 1字節 (align=1)int i;      // 4字節 (align=4)double d;   // 8字節 (align=8)
};

內存布局圖示：

┌───────┬─────────────┬─────────────┬───────────────────────┐
│ char  │  Padding    │    int      │        double         │
│ (1B)  │   (3B)      │   (4B)      │         (8B)          │
│ 0x00  │  0x01-0x03  │  0x04-0x07  │       0x08-0x0F       │
└───────┴─────────────┴─────────────┴───────────────────────┘
總大小：16字節（1 + 3 + 4 + 8）

2. 虛函數機制原理（vtable/vptr）

vtable創建過程：
編譯器為每個含虛函數的類創建虛函數表：

class Base {
public:virtual void f1() {}  // vtable[0]virtual void f2() {}  // vtable[1]
};

內存中的vtable：

Base vtable:
┌──────────────┬──────────────┐
| 0x00: &f1    | 0x08: &f2    |   // 函數指針
└──────────────┴──────────────┘

vptr初始化原理：
對象構造序列（編譯器隱式插入代碼）：

Derived* obj = new Derived();
// 編譯器插入的隱式操作：
obj->__vptr = Derived::vtable;  // 設置vptr
Base::Base(obj);                // 基類構造
Derived::Derived(obj);          // 派生類構造

關鍵點：

• vptr在構造函數的最早階段設置
• 基類構造可能修改vptr（但派生類構造會重置）
• 析構過程反向操作：~Derived() → ~Base() → vptr重置為Base vtable

動態綁定原理：

Base* pb = new Derived();
pb->f1();  // 動態調用Derived::f1()

編譯后的機器碼：

; x86-64示例
mov rax, [rbx]       ; 加載vptr (rbx=對象地址)
mov rax, [rax]       ; 加載vtable[0] (f1的函數指針)
call rax             ; 間接調用

3. 繼承模型原理

單繼承內存布局：

class Base { int a; };
class Derived : public Base