C++ 数据语义学——单类单继承虚函数下的数据成员布局

在单类单继承的情况下，虚函数的存在会影响数据成员的布局。虚函数表（vtable）和虚指针（vptr）是实现多态性的重要机制。

1. 单一类带虚函数的数据成员布局

当一个类包含虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表（vtable），并在每个对象中添加一个指向该表的指针（vptr）。虚指针通常是对象内存布局中的第一个成员。

示例代码：

#include <iostream>class MyClass {
public:int var1;double var2;virtual void myVirtualFunction() {std::cout << "MyClass virtual function" << std::endl;}
};int main() {MyClass obj;std::cout << "Address of obj: " << &obj << std::endl;std::cout << "Address of vptr: " << reinterpret_cast<void**>(&obj) << std::endl;std::cout << "Address of var1: " << &obj.var1 << std::endl;std::cout << "Address of var2: " << &obj.var2 << std::endl;return 0;
}

运行结果（地址可能因系统和编译器不同而有所不同）：

Address of obj: 0x71fe30
Address of vptr: 0x71fe30
Address of var1: 0x71fe38
Address of var2: 0x71fe40

在上面的代码中：

• MyClass 包含一个虚函数 myVirtualFunction。
• obj 对象的内存布局中包含一个虚指针 vptr，指向虚函数表。
• vptr 通常是对象内存布局中的第一个成员，紧接着是 var1 和 var2。

2. 单一继承父类带虚函数的数据成员布局

当子类继承一个带有虚函数的父类时，子类对象的内存布局包含父类的虚指针和数据成员，以及子类自己的数据成员。

示例代码：

#include <iostream>class Base {
public:int baseVar;virtual void baseVirtualFunction() {std::cout << "Base virtual function" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:char derivedVar;void baseVirtualFunction() override {std::cout << "Derived override function" << std::endl;}
};int main() {Derived obj;std::cout << "Address of obj: " << &obj << std::endl;std::cout << "Address of vptr: " << reinterpret_cast<void**>(&obj) << std::endl;std::cout << "Address of baseVar: " << &obj.baseVar << std::endl;std::cout << "Address of derivedVar: " << static_cast<void*>(&obj.derivedVar) << std::endl;return 0;
}

运行结果（地址可能因系统和编译器不同而有所不同）：

Address of obj: 0x71fe40
Address of vptr: 0x71fe40
Address of baseVar: 0x71fe48
Address of derivedVar: 0x71fe4c

在上面的代码中：

• Base 类包含一个虚函数 baseVirtualFunction。
• Derived 类继承自 Base 类，并重写了 baseVirtualFunction。
• Derived 类对象 obj 的内存布局包含父类的虚指针 vptr 和数据成员 baseVar，以及子类的成员 derivedVar。

3. 单一继承父类不带虚函数的数据成员布局

当子类继承一个不带虚函数的父类时，子类对象的内存布局仅包含父类和子类的成员变量，不包含虚指针。

示例代码：

#include <iostream>class Base {
public:int baseVar;
};class Derived : public Base {
public:char derivedVar;
};int main() {Derived obj;std::cout << "Address of obj: " << &obj << std::endl;std::cout << "Address of baseVar: " << &obj.baseVar << std::endl;std::cout << "Address of derivedVar: " << static_cast<void*>(&obj.derivedVar) << std::endl;return 0;
}

运行结果（地址可能因系统和编译器不同而有所不同）：

Address of obj: 0x71fe48
Address of baseVar: 0x71fe48
Address of derivedVar: 0x71fe4c

在上面的代码中：

• Base 类不包含虚函数。
• Derived 类继承自 Base 类。
• Derived 类对象 obj 的内存布局仅包含父类的成员 baseVar 和子类的成员 derivedVar，不包含虚指针。