【C++基础入门】44.C++中对象模型分析（上）

一、回归本质

class 是一种特殊的 struct
- 在内存中 class 依旧可以看作变量的集合
- class 与 struct 遵循相同的内存对齐规则
- class 中的成员函数与成员变量是分开存放的
  - 每个对象有独立的成员变量
  - 所有对象共享类中的成员函数
值得思考的问题

下面看一个对象内存布局的代码：

#include <iostream>using namespace std;class A
{int i;int j;char c;double d;
public:void print(){cout << "i = " << i << ","<< "j = " << j << ","<< "c = " << c << ","<< "d = " << d << endl;}
};struct B
{int i;int j;char c;double d;
};int main()
{A a;cout << "sizeof(A) = " << sizeof(A) <<  endl;  //20 bytecout << "sizeof(a) = " << sizeof(a) <<  endl;cout << "sizeof(B) = " << sizeof(B) <<  endl;a.print();B* p = reinterpret_cast<B*>(&a);p->i = 1;p->j = 2;p->c = 'c';p->d = 3;a.print();p->i = 100;p->j = 200;p->c = 'C';p->d = 3.14;a.print();return 0;
}

输出结果如下：

首先，学习采用的为 ubuntu 10.10，其 gcc 编译器暂时不支持 8 字节对齐，默认按照 4 字节对齐，所以 A 和 B 中的 d 的对齐参数为 4，故 A 和 B 占用内存大小为 20 字节（详情看：【C语言进阶剖析】24.C语言中的 #pragma 使用分析）
成员变量可能排布在栈空间、可能排布在堆空间，还有可能排布在全局数据区，而成员函数只可能存在于代码段
为什么要用 reinterpret_cast 这个关键词，这是因为我们需要解释 a 这个对象代表的内存，关于 C++ 强制类型转换，可以看：【C++基础入门】9.C++中的类型转换
通过后面两个例子说明一个对象是一个特殊的结构体，由于 a 对象成员变量与 B 结构体中的变量在内存中的排布相同，因此，可以利用指针修改 a 这个对象中的私有成员

二、C++对象模型分析

运行时的对象退化为结构体的形式
- 所有成员变量在内存中依次排布
- 成员变量间可能存在内存空隙
- 可以通过内存地址直接访问成员变量
- 访问权限关键字在运行时失效
类中的成员函数位于代码段中
调用成员函数时对象地址作为参数隐式传递
成员函数通过对象地址访问成员变量
C++ 语法规则隐藏了对象地址的传递过程

下面进行对象本质分析：

#include <iostream>
#include <string>using namespace std;class Demo
{int mi;int mj;
public:Demo(int i, int j){mi = i;mj = j;}int getI(){return mi;}int getJ(){return mj;}int add(int value){return mi + mj + value;}
};int main()
{Demo d(1, 2);cout << "sizeof(d) = " << sizeof(d) << endl;cout << "d.getI() = " << d.getI() << endl;cout << "d.getJ() = " << d.getJ() << endl;cout << "d.add(3) = " << d.add(3) << endl;return 0;
}

输出结果如下：

d 对象的地址被传到了 getI() 这个函数的内部，但是这个传递过程在 C++ 的代码中是看不到的，下面我们用 C 语言模拟实现这个过程，挖掘编译器背后的故事

main.c

#include <stdio.h>
#include "demo.h"int main()
{Demo* d = Demo_Create(1, 2);             // Demo* d = new Demo(1, 2);printf("d.mi = %d\n", Demo_GetI(d));     // d->getI();printf("d.mj = %d\n", Demo_GetJ(d));     // d->getJ();printf("Add(3) = %d\n", Demo_Add(d, 3));    // d->add(3);// d->mi = 100;Demo_Free(d);return 0;
}

demo.h

#ifndef _DEMO_H_
#define _DEMO_H_typedef void Demo;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);#endif

demo.c

#include "demo.h"
#include "malloc.h"struct ClassDemo
{int mi;int mj;
};Demo* Demo_Create(int i, int j)
{struct ClassDemo* ret = (struct ClassDemo*)malloc(sizeof(struct ClassDemo));if( ret != NULL ){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;
}int Demo_Add(Demo* pThis, int value)
{struct ClassDemo* obj = (struct ClassDemo*)pThis;return obj->mi + obj->mj + value;
}void Demo_Free(Demo* pThis)
{free(pThis);
}

输出结果如下：

由于Demo是 void 类型，所以 pThis 需要强制类型转化为 struct ClassDemo 类型
main.c 中，d 是指针，指向的就是模拟对象的地址
运行 d->mi = 100; 会报如下错误，从面向对象的观点来看，mi 是私有的，在类的外部是不能访问的，只能通过成员函数进行访问，这是面向对象中的信息隐藏，由于 C语言中没有 private 关键字，所以只能通过 void 进行信息隐藏，从而模拟 private 关键字