C++奇迹之旅：探索类对象模型内存的存储猜想

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猴君
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📝前言

上回我们学习了类的定义，初步了解了什么是类？类的定义，以及类的三个访问限定符：public，private，protected，本小节将讲解类的实例化，类对象模型的猜想存储，及三种简单类的计算。

🌠 类的实例化

在 C++ 中,类的实例化是指创建一个类的对象。当我们定义了一个类之后,就可以根据这个类创建出多个对象。这个过程就称为类的实例化。

  • 实例化一个类的语法是:
ClassName objectName;

首先，假设我们定义了一个 Person 类:

  1. 类的声明:
    • 我们定义了一个 Person 类,包含了两个数据成员 name 和 age，以及一个成员函数 introduce()。
    • 在类的声明阶段,并没有为 Person 类分配任何内存空间。
// 类的声明 #include <iostream> using namespace std; class Person  { public:     std::string name;     int age;     void introduce() ; };

  1. 类的定义:

    • 我们还需要定义 introduce() 函数的具体实现:
    void Person::introduce()  {     std::cout << "My name is " << name << " and I'm " << age << " years old." << std::endl; }
    • 在类的定义阶段,同样没有为 Person 类分配任何内存空间。

  2. 类的实例化:

    • 现在我们可以创建 Person 类的对象了:
    int main()  {       Person p1;      p1.name = "Asen";      p1.age = 18;      p1.introduce();        return 0; }

当我们创建 Person 对象 p1 时,系统会为 p1 分配内存空间,用于存储它的数据成员 name 和 age。此时,我们可以访问和修改 p1 对象的成员变量和成员函数。
在这里插入图片描述

通过这个例子,我们可以看到,类的声明和定义只是描述了类的结构，而类的实例化person p1这一步才是真正创建了类的对象并分配了内存空间。每个实例化的对象都有自己独立的内存空间,可以访问和修改自己的数据成员。

类是对对象进行描述的，是一个模型一样的东西，限定了类有哪些成员，定义出一个类并没有分配实际的内存空间来存储它；比如：入学时填写的学生信息表，表格就可以看成是一个类，来描述具体学生信息。
类就像谜语一样，对谜底来进行描述，谜底就是谜语的一个实例。
谜语：“年纪不大，胡子一把，主人来了，就喊妈妈” 谜底：山羊

当然，一个类可以实例化出多个对象，实例化出的对象 占用实际的物理空间，存储类成员变量

int main() {  Person._age = 100;   // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”  return 0; }

注意：Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄。

类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造出房子，类就像是设计图，只设计出需要什么东西，但是并没有实体的建筑存在，同样类也只是一个设计，实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间
在这里插入图片描述
刚才谈到：类是对对象进行描述的，是一个模型一样的东西，限定了类有哪些成员，定义出一个类并没有分配实际的内存空间来存储它。那我不太信，那我算算看看：

#include <iostream> using namespace std; // 类的声明 class Person  { public:     std::string name;     int age;     void introduce(); }; //类的函数定义 void Person::introduce() {     std::cout << "My name is " << name << " and I'm " << age << " years old." << std::endl; }  int main()  {     cout << sizeof(Person) << endl;      return 0; }

在这里插入图片描述
利用sizeof(person)我们可以看到，即使你没有直接实例化一个 Person 对象,但是 sizeof(Person) 仍然算出一个32字节的值，这是为啥？

这是因为:

  1. 类的内存布局:
    当你定义一个类时,编译器会为这个类分配一定的内存空间,用于存储类的数据成员。
    即使你没有创建任何对象,编译器也需要知道这个类的内存布局,以便在需要创建对象时正确地分配内存。
  2. 编译时内存分配:
    在编译时,编译器会计算出类的总大小,包括所有数据成员的大小。这个总大小就是 sizeof(Person) 的结果。

🌉类对象模型

🌠 如何计算类对象的大小

不同以往的C语言结构体，问题是C++类中既可以有成员变量，又可以有成员函数，那么一个类的对象中包含了什么？如何计算一个类的大小？
让我们来看一个生动容易简单的例子：

class calculate_one { public: 	void Init(char c1, char c2, int i) 	{ 		_c1 = c1; 		_c2 = c2; 		_i = i; 	}  	void Print() 	{ 		cout << _c1 << "-" << _c2 << "-" << _i << endl; 	}  	char _c1; 	char _c2; 	int _i; };  int main() { 	cout << sizeof(calculate_one) << endl; }

这个类的大小是多少个字节呢？
首先我们想想结构体内存对齐规则：

  1. 结构体的第一个成员对齐到和结构体起始位置偏移量为0的地址处。
  2. 其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。
    对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员变量大小的较小值。
  • VS 中默认的值为 8
  • linux 中gcc没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
  1. 结构体总大小为最大对齐数（结构体中的每一个成员都有一个对齐数，所有对齐数中的）的整数>倍。
  2. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

当我们去掉两个函数，计算出字节大小是8，这里不太理解结构体的计算，可以点击这里查找：
【C语言】自定义类型：结构体深入解析（二）结构体内存对齐&&宏offsetof计算偏移量&&结构体传参
在这里插入图片描述
当不去掉函数，发现，结果依然不改变。这里就涉及到了类各个成员的存储结构关系：

class calculate { public: 	void Init(char c1, char c2, int i) 	{ 		_c1 = c1; 		_c2 = c2; 		_i = i; 	}  	void Print() 	{ 		cout << _c1 << "-" << _c2 << "-" << _i << endl; 	}  	char _c1; 	char _c2; 	int _i; };   int main() { 	char a = 'A'; 	char b = 'B'; 	calculate cule1; 	cule1._i; 	calculate cule2; 	cule2._i; 	 	cule1.Init(a, b, 1) 	cule2.Init(a, b, 2);  	cout << sizeof(calculate) << endl; }

当我们实例化两个对象时，编译器此时就会分配所需空间给两个对象

calculate cule1; cule1._i; calculate cule2; cule2._i;

当我们再去，调用这两个对象里的函数时，会怎样？它怎么存储，看看汇编：

cule1.Init(a, b, 1) cule2.Init(a, b, 2);

我们在我的C++奇迹之旅相遇：支持函数重载的原理也是提到call(函数的地址)，call里的括号里的地址就是函数的地址。
在这里插入图片描述
可以看出函数的地址是一样的，难道他们都在同一个地方存储函数，或者说在一个固定的公共区存储函数定义，需要时通过地址来查找，因此类对象的存储方式到底是什么样的？

🌉类对象的存储方式猜想

🌠猜想一：对象中包含类的各个成员

在这里插入图片描述
缺陷：每个对象中成员变量是不同的，但是调用同一份函数，如果按照此种方式存储，当一个类创建多个对象时，每个对象中都会保存一份代码，相同代码保存多次，浪费空间。那么如何解决呢？

🌉猜想二：代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址

在这里插入图片描述
节省内存空间，因为成员函数代码只保存一份,不需要为每个对象都保存一份函数代码，提高执行效率。因为只需要加载一份函数代码,不需要重复加载。支持多态，因为不同的对象可以有不同的函数指针,指向不同的函数实现,从而实现多态。

🌠猜想三：只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

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类的成员函数代码只保存一份,存放在程序的公共代码段中。每个类对象中只保存成员变量的实际数据。对象中不保存任何指向成员函数的指针。
当通过对象调用成员函数时,编译器会根据成员函数的名称和类型,找到对应的函数代码地址,并传入对象自身的this指针,来完成函数的调用

总结：由于每个成员或者对象的函数地址都是一样的，因此猜想三更合理：只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

我们再通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下

🌉 类中什么都没有—空类

class A3 {};

在这里插入图片描述
声明一个空的类 A3，编译器仍然需要为该类的实例分配内存空间。即使这个类没有任何成员变量或成员函数，每个对象也需要在内存中占据至少一个字节的空间。这是因为在C++中，每个对象都必须具有唯一的内存地址，以便程序能够准确地引用它们。

这个额外的字节通常被称为“空对象占位符”或“填充字节”，它确保每个对象都有独特的地址。这个字节不会存储任何数据，但是确保了对象在内存中的唯一性，使得程序能够正确地对其进行操作。

这种行为在C++标准中没有明确规定，而是由具体的编译器实现来决定。通常情况下，编译器会为了内存对齐的需要而分配这个额外的字节，以确保对象在内存中的布局符合特定的对齐要求。

所以，即使类 A3 是空的，它的大小也会被编译器分配为至少1字节，以确保每个对象都具有唯一的内存地址。

🌉 类中仅有成员函数

class A2  { public: 	void f2() {} };

在这里插入图片描述
即使类中仅有成员函数而没有任何成员变量，C++编译器仍然会为该类的实例分配至少一个字节的内存空间。这是因为每个对象都必须具有唯一的内存地址，以便程序能够准确地引用它们。

🌉 类中既有成员变量，又有成员函数

class A1  { public: 	void f1() {} private: 	int _a; };

在这里插入图片描述
在这个示例中，类 A1 中有一个私有成员变量 _a 和一个公有成员函数 f1()。根据C++的规则，成员函数不会影响类的大小，因为它们不会被存储在每个对象中。所以，f1() 不会影响 sizeof(A1) 的值。

然而，类 A1 中包含一个 int 类型的私有成员变量 _a。在32位系统上，int 类型通常占用4个字节的内存空间。因此sizeof(A1) 的大小是4个字节，这个大小正是 _a 的大小。

🚩总结

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