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C++继承时的对象内存模型

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10月09日 发表在 c++编程语言 阅读 273 评论 20 | 免费使用 “AI大模型GPT4.0” 提问

在C++中，继承是一种关系，通过继承，子类可以继承父类的成员函数和成员变量。在继承时，子类对象会包含父类对象的成员。

C++中的继承主要有三种方式：公有继承、私有继承和保护继承。

在公有继承中，子类对象会包含一个完整的父类对象。子类对象的内存布局会先包含父类对象的成员，然后是子类自己的成员。这样设计的原因是为了保证子类对象可以直接访问父类的成员。

在私有继承和保护继承中，子类对象同样会包含一个完整的父类对象，但是子类对象无法直接访问父类的成员。私有继承和保护继承不常用，一般用于实现继承方式不同的接口。

C++中的继承关系可以通过多级继承来实现。多级继承时，子类对象会包含多个父类对象的成员。子类对象的内存布局会先包含第一个父类对象的成员，然后是第二个父类对象的成员，依次类推，最后是子类自己的成员。

需要注意的是，在C++中，对象内存模型是由编译器实现的，不同的编译器可能有不同的实现方式。但是根据C++的标准规定，子类对象会确实包含父类对象的成员。

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20条评论
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韦醒言
10月13日

分析了C++继承中的内存布局，讲得很清楚，尤其是不同访问控制下的差异。

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等个： @韦醒言

对于C++中的继承和内存模型，确实可以深入探讨访问控制对内存布局的影响。例如，使用不同类型的继承（公有、保护和私有）时，基类的成员在派生类中的位置可能会有所不同，这直接影响到内存的排列。

这里有一个简单的代码示例，展示了不同继承方式下的内存布局：

#include <iostream>

class Base {
public:
    int a;
protected:
    int b;
private:
    int c;
};

class PublicDerived : public Base {
    // 这里会按照公有的方式继承Base
};

class ProtectedDerived : protected Base {
    // 这里会按照保护的方式继承Base
};

class PrivateDerived : private Base {
    // 这里会按照私有的方式继承Base
};

int main() {
    std::cout << "Size of Base: " << sizeof(Base) << std::endl;
    std::cout << "Size of PublicDerived: " << sizeof(PublicDerived) << std::endl;
    std::cout << "Size of ProtectedDerived: " << sizeof(ProtectedDerived) << std::endl;
    std::cout << "Size of PrivateDerived: " << sizeof(PrivateDerived) << std::endl;
    return 0;
}

在这个示例中，使用sizeof运算符可以帮助直观理解不同继承类型如何影响内存使用。在构建复杂的类层次时，清楚这些差异有助于优化内存使用并确保逻辑正确。

建议查看更深入的资料，例如有关C++内存模型的详细解释，可能会对理解分配和布局有帮助：C++ Memory Model. 这样可以更全面地掌握C++中的内存管理和继承特性。

11月10日 回复 举报
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冷漠
10月17日

文章给出了C++继承中内存模型的基础理解，适合初学者。可以用实际例子加深理解，比如使用class Base和class Derived说明。

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眼角笑意： @冷漠

在谈到C++继承时，确实可以通过具体代码案例来更好地理解对象的内存布局。看看下面的例子：

#include <iostream>

class Base {
public:
    int baseData;
    Base() : baseData(1) {}
};

class Derived : public Base {
public:
    int derivedData;
    Derived() : derivedData(2) {}
};

int main() {
    Derived d;
    std::cout << "Size of Base: " << sizeof(Base) << std::endl;          // 输出Base的大小
    std::cout << "Size of Derived: " << sizeof(Derived) << std::endl;    // 输出Derived的大小
    std::cout << "Base Data: " << d.baseData << std::endl;               // 访问基类成员
    std::cout << "Derived Data: " << d.derivedData << std::endl;         // 访问派生类成员
    return 0;
}

在这个例子中，Derived类包含了一个来自Base类的成员，展示了如何在内存中布局。通过sizeof运算符可以看到Derived类的大小不只是derivedData的大小，还包括了Base类的大小。此外，通过创建Derived的对象d，可以直接访问基类的成员。

这样的示例可以帮助初学者更直观地理解C++中对象的内存模型，尤其是继承时如何安排数据结构。想了解更深入的内容，可以参考 C++对象内存模型 。

6天前 回复 举报
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静听寂寞
10月26日

提到多级继承是个亮点，但是可以补充虚基类的内存影响，减少因重复继承造成的复杂性。

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待消磨： @静听寂寞

在讨论多级继承和虚基类内存影响时，确实可以进一步展开，以便更好地理解其在继承树中的表现。虚基类解决了“钻石继承”问题，这样多个子类能够共享同一个基类的实例，从而节省内存并减少复杂性。

考虑如下代码示例：

#include <iostream>

class Base {
public:
    Base() { std::cout << "Base Constructor\n"; }
    virtual ~Base() { std::cout << "Base Destructor\n"; }
};

class Derived1 : virtual public Base {
public:
    Derived1() { std::cout << "Derived1 Constructor\n"; }
    ~Derived1() { std::cout << "Derived1 Destructor\n"; }
};

class Derived2 : virtual public Base {
public:
    Derived2() { std::cout << "Derived2 Constructor\n"; }
    ~Derived2() { std::cout << "Derived2 Destructor\n"; }
};

class Final : public Derived1, public Derived2 {
public:
    Final() { std::cout << "Final Constructor\n"; }
    ~Final() { std::cout << "Final Destructor\n"; }
};

int main() {
    Final f;
    return 0;
}

在这个示例中，Base 被 Derived1 和 Derived2 虚继承，这样在 Final 类的实例化中，只有一个 Base 类的实例被创建，避免了因多次继承带来的冗余和混淆。

另外，关于内存模型，使用虚基类会引入额外的指针开销，用于指向虚基类的共享实例。这种设计在提高内存利用率的同时，也带来了额外的间接性。因此，在设计时应在内存占用和性能开销之间做一权衡。

更多关于C++虚基类的详细讨论可以参考 C++ Inheritance and Virtual Base Classes。

11月11日 回复 举报
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情以漠然
10月29日

继承的三种方式说明很直观。建议增加如何查看不同编译器下的对象内存布局的示例，帮助调试。

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绰绰樱花： @情以漠然

对于继承的内存模型，除了了解各种继承方式的对象内存布局外，使用具体工具查看内存布局也是非常重要的。可以考虑使用一些可视化工具和命令行工具来帮助理解。例如，在GCC中，可以利用-fdump-class-hierarchy选项查看类的内存布局。

你可以使用下面的代码示例在不同编译器中比较内存布局：

#include <iostream>

class Base {
public:
    int baseData;
};

class Derived : public Base {
public:
    int derivedData;
};

int main() {
    Derived d;
    std::cout << "Size of Base: " << sizeof(Base) << std::endl;
    std::cout << "Size of Derived: " << sizeof(Derived) << std::endl;
    return 0;
}

编译并运行该代码，你将查看到基类和派生类的大小。

另一个好用的工具是gdb，你可以在调试时使用print &d命令查看对象的内存地址分布。此外，MSVC也有类似的工具可用于查看内存布局。

更多的详细资料可以参考这篇文章：C++ Class Size and Memory Layout。这样的实践不仅能加深对继承内存模型的理解，也能帮助在调试中更有效地识别问题。

11月09日 回复 举报
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烟火
11月02日

C++的继承让子类对象包含父类成员，但何时访问有限制，这点解释得很清楚。

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时间在流： @烟火

对C++继承中的对象内存模型的理解确实很重要。子类对象在内存中不仅包含自己的成员变量，还包含父类的成员变量，但它们的访问权限和使用方式是有限制的。例如，在C++中，父类的私有成员变量对子类是不可访问的，而保护成员变量则可以访问。如果想展示这种行为，可以通过以下代码示例来进行说明：

#include <iostream>

class Base {
private:
    int privateVar = 1;  // 私有成员，子类无法访问

protected:
    int protectedVar = 2; // 保护成员，子类可以访问

public:
    int publicVar = 3;    // 公共成员，子类可以访问

    void display() {
        std::cout << "Base: " << privateVar << ", " << protectedVar << ", " << publicVar << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void display() {
        // std::cout << "Derived: " << privateVar << std::endl; // 这行会报错
        std::cout << "Derived: " << protectedVar << ", " << publicVar << std::endl;
    }
};

int main() {
    Derived d;
    d.display();  // 只会访问到保护和公共成员
    return 0;
}

在这个示例中，尝试访问Base类的私有成员会导致编译错误，而保护和公共成员则可以正常访问。这样的机制保证了封装，只有允许的部分可以被子类使用。

更深入地理解这一点，有助于合理设计类的层次。可以查看 C++ Inheritance Documentation 以获取更多信息，深入理解继承和访问控制。

11月12日 回复 举报
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单独
11月13日

在讲解公有、私有、保护继承时加入了代码，会更好理解。

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鱼虫子： @单独

自定义继承方式确实对理解C++中的对象内存模型有重要的帮助。通过具体的代码示例，可以更直观地看到不同继承方式如何影响访问权限和内存布局。下面是一个简单的示例，展示了公有继承和私有继承的差异：

#include <iostream>

class Base {
public:
    void show() { std::cout << "Base class" << std::endl; }
};

class PublicDerived : public Base {
public:
    void display() { show(); }
};

class PrivateDerived : private Base {
public:
    void display() { show(); }
};

int main() {
    PublicDerived pubObj;
    pubObj.display();  // 可以访问 Base 的 show()

    // PrivateDerived privObj;
    // privObj.display(); // 不能直接访问 Base 的 show()

    return 0;
}

在这个例子中，PublicDerived 通过公有继承可以访问 Base 类的公有成员，而 PrivateDerived 则通过私有继承将访问权限限制住，仅能在自身内部调用基类的公有方法。这种层次的区分对于理解访问控制的细节至关重要。

为了更深入地理解这些概念，可以参考一些在线资源，像 cplusplus.com 或 Cppreference 提供了更多关于C++继承的细节及示例。这样不仅能加深你的理解，还能帮助你在实际的开发过程中运用自如。

11月12日 回复 举报
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碎纸团
11月24日

通过这段讲解，让我对C++的内存模型有了更直观的感受，尤其是在多级继承中的内存布局。

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亦如： @碎纸团

在讨论C++的内存模型时，特别是在多级继承的场景中，理解对象的内存布局确实是很重要的。可以通过一个简单的代码示例来更好地理解这个概念：

class Base {
public:
    int base_data;
    Base() : base_data(1) {}
};

class Derived : public Base {
public:
    int derived_data;
    Derived() : derived_data(2) {}
};

class MostDerived : public Derived {
public:
    int most_derived_data;
    MostDerived() : most_derived_data(3) {}
};

int main() {
    MostDerived obj;
    std::cout << "Base data: " << obj.base_data << std::endl;
    std::cout << "Derived data: " << obj.derived_data << std::endl;
    std::cout << "Most Derived data: " << obj.most_derived_data << std::endl;
    return 0;
}

在这段代码中，MostDerived类通过多级继承引入了多个数据成员。当我们创建MostDerived对象时，内存布局会遵循基类到派生类的顺序。这个示例清楚地展示了如何能够通过简单的输出理解各个数据成员的存在。对于多级继承的内存模型，建议参考相关资料，例如 C++ Multi-level Inheritance，深入了解基类和派生类中对象的内存分配。这样的理解能够帮助在实际开发中更好地优化内存使用和性能。

4天前 回复 举报
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独醉
12月01日

需要了解更多关于多重继承可能导致的菱形继承问题及其内存布局解析，建议参考stackoverflow：C++的多重继承与虚基类

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最后： @独醉

对于多重继承的菱形继承问题，确实是C++中的一个颇具挑战性的概念。菱形继承导致的潜在问题主要是因为基类被重复继承，可能会造成不必要的冗余和错误的虚基类管理。在这种情况下，建议使用虚基类来解决这些问题。

例如，考虑以下代码示例：

class A {
public:
    int value;
    A() : value(10) {}
};

class B : virtual public A {};
class C : virtual public A {};

class D : public B, public C {
public:
    void printValue() {
        std::cout << value << std::endl; // 这里可以安全地访问A中的value
    }
};

在这个例子中，类B和类C都虚继承自类A，从而确保在类D中只会有一个A的实例，这样可以避免菱形继承带来的二义性问题。

要进一步理解虚基类的实现和内存布局，可以参考以下链接：C++多重继承与虚基类。这个讨论深入揭示了虚基类的内存模型，以及如何正确处理多重继承中的复杂问题，这对于掌握C++的内存管理和继承机制尤其重要。

11月14日 回复 举报
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小低调
12月08日

归纳得很好，然而实现不同接口的建议不太明晰，或许可以加个接口类的例子。

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抢救爱： @小低调

在讨论C++继承与接口时，确实可以通过具体的接口类示例来更清晰地理解这一概念。以下是一个简单的示例，展示了如何定义一个接口类，以及如何实现多个派生类。

首先，定义一个接口类：

class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
    virtual void draw() const = 0;   // 纯虚函数
    virtual ~Shape() = default;       // 虚析构函数
};

接下来，我们可以创建多个实现该接口的类，例如Circle和Rectangle：

#include <cmath>
#include <iostream>

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double area() const override {
        return M_PI * radius * radius;
    }
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing Circle with radius: " << radius << std::endl;
    }
};

class Rectangle : public Shape {
private:
    double width, height;
public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
    double area() const override {
        return width * height;
    }
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing Rectangle with width: " << width << " and height: " << height << std::endl;
    }
};

最后，可以通过多态使用它们：

void printShapeDetails(const Shape& shape) {
    shape.draw();
    std::cout << "Area: " << shape.area() << std::endl;
}

int main() {
    Circle circle(5);
    Rectangle rectangle(4, 6);

    printShapeDetails(circle);
    printShapeDetails(rectangle);

    return 0;
}

这种方法能够清晰地展现如何通过接口类实现不同的具体类，同时利用多态使得代码简单易扩展。关于这个主题的更多深入内容，可以参考 C++ Interface Guide。

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安然放心
12月13日

分析了C++继承但没提到多态这一核心概念，也许可以再写篇关于虚函数表如何影响内存模型的文章。

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游离者： @安然放心

在讨论C++中的继承时，虚函数表的确是一个不可忽视的重点，它直接影响对象的内存布局以及动态绑定的实现。多态通过虚函数来实现，使得在基类中定义的函数可以在派生类中重新定义，而此时对函数的调用则通过虚函数表（vtable）来决定。

为了进一步理解这个内存模型的影响，可以看下面的示例代码：

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void show() {
        std::cout << "Base class show function called." << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() override {
        std::cout << "Derived class show function called." << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* b = new Derived();
    b->show();  // 输出: Derived class show function called.
    delete b;
    return 0;
}

在上面的代码中，show是一个虚函数。当使用基类指针指向派生类对象时，调用show实际上是通过虚函数表来找到正确的实现。这种方法使得可以在运行时动态地决定调用的具体函数，从而实现多态性。

此外，建议查阅一些关于C++内存模型的资源，例如 C++ Inheritance and Polymorphism - GeeksforGeeks 来获取更深入的理解，特别是虚函数和内存布局如何相互影响的问题。这样的资料能够提供更全面的视角，有助于深入掌握C++的这一特性。

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