类成员和成员函数的内存位置

Question

这是一个简单的 C++ 类：

class A
{
public:
    explicit A() : m_a(0) { }
    explicit A(int a) m_a(a) { }
    int getA() const { return m_a; }
    void setA(int a) { m_a = a; }

private:
    int m_a;
}

这是我目前所知道的：

• 当您声明类实例的对象时，会为该对象分配内存。 分配的内存相当于其成员的内存总和。 所以在我的情况下sizeof(A) = sizeof(int) = sizeof(m_a)
• 类 A 的所有成员函数都存储在内存中的某个位置，并且类 A 的所有实例都使用相同的成员函数。

这是我不知道的：

成员函数存储在哪里以及它们实际上是如何存储的？ 例如，假设一个int存储在 4 个字节上； 我可以想象具有 4 个连续单元的 RAM 内存布局，每个单元存储该 int 的一部分。 我怎么能想象一个函数的这种布局？（这听起来很傻，但我想函数必须在内存中占有一席之地，因为你可以有一个指向它们的指针）。 此外，功能指令是如何以及在哪里存储的？ 我的第一个感觉是函数和函数指令存储在程序可执行文件（及其动态或静态库）中，但如果这是真的，当您创建函数指针时会发生什么？ AFAIK 函数指针指向 RAM 内存中的位置，它们可以指向程序二进制文件中的位置吗？ 如果是，这是如何工作的？

谁能向我解释这是如何工作的，并指出我所知道的是对还是错？

Answer 1

首先，您需要了解链接器的作用以及什么是可执行文件（通常在虚拟内存中执行）以及地址空间和进程。 在 Linux 上，阅读有关ELF和execve(2)系统调用的信息。 另请阅读 Levine 的链接器和加载程序书籍和操作系统：三个简单的部分，以及 C++11 标准n3337 ，以及这份报告草稿和一本优秀的C++ 编程书籍，以及此参考网站。

成员函数可以是虚函数或普通函数。

• 一个普通（非virtual ）成员函数就像一个 C 函数（除了它把this作为一个隐式的，通常是第一个参数）。 例如，您的getA方法的实现类似于以下 C 函数（在对象之外，例如在二进制可执行文件的代码段中）：

   int C$getA(A*thisptr) const { return thisptr->m_a; }

  然后想象编译器正在将p->getA()翻译成C$getA(p)

• 虚成员函数通常通过一个vtable （虚方法表）来实现。 具有一些虚拟成员函数（包括析构函数）的对象通常将指向此类表（由编译器在别处生成）的指针作为其第一个（隐式）成员字段。 您的class A没有任何虚拟方法，但想象一下它是否有一个额外的virtual void print(std::ostream&); 方法，那么您的class A将具有与

  struct A$ { struct A$virtualmethodtable* _vptr; int m_a; };

  虚拟表可能是

  struct A$virtualmethodtable { void (*print$fun) (struct A$*, std::ostream*); };

  （因此添加其他虚函数意味着简单地在该vtable 中添加插槽）； 然后调用p->print(std::cout); 将被翻译成几乎像p->_vptr.print$fun(p,&std::cout); ...此外，编译器将生成各种虚拟方法表（每个类一个）作为常量表。

^{注意：使用多重继承或虚拟继承，事情会更加复杂。}

在这两种情况下，成员函数都不会占用对象中的任何额外空间。 如果它是非虚拟的，它只是一个普通的函数（在代码段中）。 如果它是虚拟的，它共享虚拟方法表中的一个槽。

注意。 如果您使用最近的GCC （即使用g++ ）或使用Clang （因此clang++ ） clang++您可以传递它，例如-fdump-tree-all标志：它将产生数百个转储文件，部分显示 - 以转储的文本形式 -编译器的一些内部表示，您可以使用寻呼机（例如less ）或文本编辑器进行检查。 您还可以使用MELT或查看使用g++ -S -fverbose-asm -O1 ... 生成的汇编代码。

Answer 2

所有局部非静态变量和非虚函数都保存在代码/文本段中。

所有静态和全局变量都保存在静态数据段中。

具有虚函数的类或从具有虚函数的类继承的类将被编译器插入一个 vptr 指针。 Vptr 指向一个具有多个函数槽的虚函数表。 每个槽包含存储在代码段中的函数地址。

Answer 3

要理解这一点，您需要了解程序的内存布局。 代码将由对象共享。 并且所有对象都有自己的数据副本。