C++类和对象的存储结构

2021-02-20

C++内存结构分为代码区，数据区和栈区。代码区存放编译的机器指令；数据区又分为堆区和全局数据区，其中堆区存放malloc出来的内存，全局数据区存放全局变量和静态变量；栈区存放自动变量，由编译器分配和释放。

C/C++存储空间结构

BSS: Block Started by Symbol，意为“以符号开始的块”。在C语言中还分：未初始化的全局变量和静态变量、已初始化的全局变量和静态变量。但是在C++中没有这个区分，他们共同占用同一块内存区。代码区和数据区内存数据从可执行文件中读取。

代码区：存放CPU执行的机器指令，代码区是可共享，并且是只读的；
数据区（全局/静态存储区）：存放已初始化的全局变量、静态变量（全局和局部）、常量数据；
- BBS区：存放未初始化的全局变量和静态变量；
- GVAR区：存放已经初始化的全局变量和静态变量；
栈区：由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、返回值和局部变量，在程序运行过程中实时分配和释放，栈区由操作系统自动管理，无须程序员手动管理；
堆区：堆是由malloc()函数分配的内存块，使用free()函数来释放内存，堆的申请释放工作由程序员控制；
自由存储区：由new分配的内存块都是自由存储区，是C++中才有的抽象概念。自由存储区不是一个具体的物理概念，对应的物理存储区可能是堆区，也可能是静态存储区，需要看不同编译器new的实现方式。

new和malloc的区别参考new和malloc区别。

基本数据类型占据内存大小

32、64位编译器不同数据类型占据内存字节数如下：

数据类型	32位	64位
char	1	1
short	2	2
int	4	4
long	4	8
long long	8	8
指针	4	8
float	4	4
double	8	8

C++类和对象的存储

C++类的构成：

数据成员：非静态的内置类型、对象类型，静态数据成员
函数成员：非虚函数，虚函数

静态数据成员不与任何对象绑定，即不存在隐含的this指针，存放在堆区。静态成员函数不能声明成const（没有隐含的this指针），也不能在其内部使用this指针。

静态数据成员不占对象存储空间；
内置类型占据空间如上；
对象数据类型占据空间按照类内存对齐原则；
非虚函数不占内存；
虚函数存在虚函数指针占据内存。

类类型对齐原则是指在牺牲一定空间损失的情况下，换取内存读取次数的减少。详情参考C++类内字节对齐。

不保存函数成员的考虑：OOP编程其中一个目的就是代码重用，相同类不同对象的函数成员没有必要给每个对象保存，放置在公共区能节省内存。对象调用成员函数时通过域作用符和函数名便能寻址，然后把对象名传递给隐式的this指针便能分辨具体调用的是哪个对象。

虚函数通过虚表实现，包含虚函数的对象有一个指向虚表的指针，这个指针占据内存。

有关this的详细介绍参考this指针。
有关虚函数的详细介绍参考虚函数。

空白类对象占据1字节

是为了不同实例之间的区分。空白类也能实例化，为了区分每个对象需要具有不同地址，因此至少得分配1字节内存。在继承时，如果基类是空白类，那么子类继承父类的那1个字节会被优化掉，变为0，成为空白基类最优化，参见空白基类最优化。

例子

在win10 gcc32环境下类A占据内存8字节，类B占据内存24字节，类C占据内存32字节，类X占据内存8字节，如代码中注释。但在centos 64, gcc64环境下类A占据内存16字节，类B占据内存32字节，类C占据内存48字节，类X占据内存8字节。centos 64, gcc64环境的默认对齐系数也是8，但指针是8字节，造成了不同。

内存对齐会导致对象占据的空间比单个数据占据空间之和多，关于对象内存字节对齐，参考C++类内存对齐。对象成员内存分布的先后顺序会影响内存对齐，虚表指针始终是对象内存空间的首元素，关于C++对象虚表的存储模型，参考C++虚函数。排在第二的是从父类继承来的成员，最后是子类自己非继承、非虚表指针数据成员。

#include<iostream>
#pragma pack(8) //win10, mingw32的默认对齐模数
struct A
{
    void f0() {}
    virtual void f1a() {} // 4 Bytes
    int x; // 4 Bytes
};

struct X
{
    static int m; // 这里只是声明, 没有定义, 需要类外定义(分配内存)
    int x;
    char y;
};
int X::m; // 类外进行静态成员定义 否则运行时错误undefined reference

struct B
{
    int x; // 4 Bytes
    double y; // 8 Bytes
    char z; // 类B中是8 Bytes,作为类C成员是4 Bytes
    void f0() {}
    virtual void f1() {} // 4 Bytes
};

struct C: public A
{
    B b; // 4 Bytes
    void f0() {}
    virtual void f1c() {} // 4 Bytes
};

int main()
{
    std::cout<<sizeof(A)<<std::endl; // 8 Bytes
    std::cout<<sizeof(B)<<std::endl; // 24 Bytes
    std::cout<<sizeof(C)<<std::endl; // 32 Bytes
    std::cout<<sizeof(X)<<std::endl; // 8 Bytes 有无static int m无影响 m放在全局数据区
    std::cout<<X::m<<std::endl; // 0 静态成员只进行一次初始化
    
    return 0;
}