C⼀C++最底层是怎么实现的

许多同学可能在学习C++的时候，都会感到一定的困惑，继承到底是怎样分配空间的，多态到底是如何完成的，许许多多的问题，必须挖掘到C++底层处理机制，才能搞明白。有许多C程序员埋孙历也并不认同C++，他们认为C++庞大又迟缓，其更重要的原因是，他们认为“C++是在你的背后做事情”。的确，C++编译器背着程序员做了太多的事情，所以让很多不了解其底层机制的人感到困惑。想成为一个优秀的程序员，那么这样的困惑就不应该存在，只有了解了底层实现模型，才能写出效率较高的代码，自信心也比较高。
我们先从一个简单但有趣的例子谈起。有如下的4个类：
class X {};
class Y : public virtual X {};
class Z : public virtual X {};
class A : public Y, public Z {};
上面的4个类中，没有任何一个类里含明显的数据，之间只是表示了继承关系，那么如果我们用sizeof 来测量它们的大小，将会得到什么结果呢？
你可能会认为，既然没有任何数据和方法，大小当然为0，而结果肯定会出乎你的意料，即使是class X 的大小也不为0。
在不同的编译器上，将会得到不同的结果，而在我们现在最常用的VC++编译器上，将得到如下的结果：
sizeof X 的结果是 1 。
sizeof Y 的结果是 4 。
sizeof Z 的结果是 4 。
sizeof A 的结果是 8 。
惊讶吗？那么为什么会得到这样的结果？让我们一个一个来分析。
对于一个空的class，事实上并不是空的，它有一个隐晦的1 byte ，那是被编译器安插进去的一个char 。这使得这个class 的两个对象得以在内存中配置独一无二的地址，这就是为什么 sizeof X 的结果是 1。
那么Y和Z呢，怎么会占用 4 byte ？其实它们的大小受到三个因素的影响：
1. 语言本身所造成的额外负担：当语言支持多态时，就会导致一些额外负担。在派生类中，这个额外负担表现在一个指针上，它是用来指向一个被称作“虚函数列表”的表格。而在VC++编译器上，指针的大小正好是 4 byte 。
2. 编译器对于特殊情况所提供的优化处理：在class Y 和 class Z 中，也将带上它们因为继承class X 而带来的 1 byte ，传统上它被放在派生类的固定部分的尾端。而某些编译器（正如我们现在所讨论的VC++编译器）会对空的基类提供特殊的弯搜处理，在这个策略下，一个空的基类被视为派生类对象最开头的一部分，也就是说它并没有花费任何额外空间（因为既然有了成员，就不需要原本为了空类而安插一个char了），这样也就节省了这 1 byte 的空间。事实上，如果某个编译器没有提供这种优化处理，你将发现class Y 和 class Z 的大小将是8 byte ，而不仅仅是5 byte 了，原因正如下面第3点所讲。
3. “对齐”（Alignment）机制：在大多数机器上，群聚的结构体大小都会受到alignment的限制，使它们能够更有效率地在内存中被存取。Alignment 就是将数值调整到某数的整数倍。在32位计算机上，通常alignment 为 4 byte（32位），以使总线达到最大的“吞吐量”，在这种情况下，如上面所说，如果凯亩 class Y 和class Z 的大小为 5 byte ，那么它们必须填补 3 byte ，最终得到的结果将是 8 byte 。是不是开始感谢VC++编译器幸好有这样的优化机制，使得我们节约了不少内存空间。
最后，我们再来看看 class A ，它的大小为什么是 8 byte ？显而易见，它继承了class Y 和class Z ，那么它的大小直接就把 class Y 和class Z 的大小加起来就够了。真有这么简单吗？实际上这只是一个巧合而已，这是因为之前编译器的优化机制掩盖这里的一些事实。对于没有优化的 class Y 和class Z 来说，他们的大小都是8 byte ，那么继承了它们两个的 class A 将是多大呢？16 byte？如果你有这样的编译器试一下的话，你会发现答案是12 byte 。怎么会是12 byte 呢？记住，一个虚拟继承的基类只会在派生类中存在一份实体，不管它在 class 继承体系中出现了多少次！class A的大小由下面几部分决定：

l 被大家共享的唯一一个 class X的实体，大小为1 byte。
l 基类class Y 的大小，减去因虚拟继承的基类class X而配置的大小，也就是4 byte 。基类class Z的算法相同，它们加起来就是8 byte 。
l class A自己的大小，0 byte 。
l class A 的alignment的大小（如果有的话）。前述三项的总和是9 byte ，那么调整到4 byte的整数倍，也就是12 byte 。
我们前面讨论的VC++编译器得出的结果之所以是8 byte ，是因为 class X 实体的那1 byte被拿掉了，于是额外的3 byte也同样不必了，因此就直接把class Y 和class Z的大小加起来，得到8 byte 。
这个例子看懂了吗？是不是对C++的底层机制开始感兴趣了？那么我们再来举一个同样有趣的例子。
有这样一个类：
class A {
private:
int a;
char b;
char c;
char d;
};
它的大小是多少呢？
如果你有记得我之前提到的alignment机制的话，你应该会猜到它的大小是8 byte 。的确如此，int a占用4 byte ，char b , char c 和char d各占1 byte ，加起来是7 byte ，再加上alignment额外带来的1 byte ，总共是8 byte 。
瞧，就是这么简单，那么现在我们把里面的成员变量换换位置，如下：
class A {
private:
char d;
int a;
char b;
char c;
};
我们将char d拿到第一个位子，放在int a之前。那么现在你能告诉我class A的大小是多少呢？你肯定不会再猜8 byte了，因为你会觉得这与上面似乎有些不同，但你不能肯定到底是多大。不敢确定的时候就去试试吧，原来是12 byte ，这又是怎么回事呢？同样的类，只是改变了成员变量的位子，怎么就会多出4 byte的存储空间？其实这一切又是由变量的存储规则造成的。对于一个类来说，它里面的成员变量（这里单指非静态的成员变量）是按声明的顺序存储在内存空间中的。在第一种的情况中，它们紧紧的排列在一起，除了由于alignment所浪费的1 byte空间外，它们几乎用了最小的存储空间；而在第二种情况中，它们则不是排列得那么紧密了，错误就在于char d ，它一个人就占用了4 byte 。为什么它会占用4 byte呢，其实责任也不全在它，后面的int a也有不可推卸的责任。Int 型数据在VC++编译器中正好是占用4 byte的，等于一个alignment量，而这4 byte一定是密不可分的。当char d占用了1 byte后，其后空出了3 byte（对于一个alignment量来说），而一个int型数据不能被拆成3 byte +1byte来存储，那样编译器将无法识别，因此int a只有向后推到下一个alignment的开始，这样char d就独占了4 byte ，中间有3 byte浪费掉了。而后面的char b和char c依旧紧密排列，最后又由于alignment调整2 byte ，整个类的大小就变为了12 byte 。
看了这个例子，是不是该反省以前随意定义成员变量了？如果你要定义一个含3个int型数据和4个char型数据的类，本来最优化的方法只需要16 byte ，而你却随意的定义成如下的样子：
class F{
private:
char c1;
int i1;
char c2;
int i2;
char c3;
int i3;
char c4;
};
看看结果是什么，这个类竟然要占据28 byte的空间，比刚才整整大了12 byte！
再来看看继承的时候，成员变量是怎样存放的。我们将第2个例子中的class A 改成三层的继承模式，或许我们在做项目中，真的会遇到这样的情况。
class A1{
private:
int a;
char b;
};
class A2: public A1{
private:
char c;
};
class A3:public A2{
private:
char d;
};
现在我们来预测一下class A3 的大小，是8 byte吗？不，结果竟是16 byte ，竟然整整多了1倍。这是为什么呢？按照成员变量的排列顺序，int a,char b,char c,char d应该紧密的排列在一起，8 byte没错。但事实并非如此，这些都是因为继承而造成的。知道“在继承关系中，基类子对象在派生类中会保持原样性”吗？或许这样专业的一句话，你并不能明白是什么意思，那么听我下面的分析。在为派生类分配内存空间的时候，都是先为基类分配一块内存空间，而所谓的“原样性”是指基类原本在内存空间中是什么样子，那么它在派生类里分配的时候就是什么样子。拿这个例子来说，class A1占据了8 byte的空间，其中int a占4 byte ，char b占1 byte ，因alignment而填补3 byte 。对于class A1来说，占据8 byte空间没什么好抱怨的，但是class A2呢？轻率的程序员会认为，class A2只在class A1的基础上增加了唯一一个char c ，那么它应该会和char b绑在一起，占用原本用来填补空间的1 byte ，于是class A2的大小是8 byte，其中2 byte用于填补空间。然而事实上，char c是被放在填补空间所用的3 byte之后，因为在class A2中分配的class A1应该完全保持原样，于是class A2的大小变成12 byte ，而不是8 byte了，其中有6 byte浪费在填补空间上。相同的道理使得class A3 的大小是16 byte ，其中9 byte用于填补空间。
那么也许你会问，既然“原样性”会造成这样多的空间浪费，那么编译器为什么还要这样做呢？其实这样做是有它的必要的。我们考虑下面这种情况：
A1* pA1=new A1();
A1* pA2=new A2();
*pA1=*pA2;
我们定义了两个A1型指针，一个指向A1对象，一个指向A2对象。现在我们执行一个默认的复制操作（复制一个个的成员变量），那么这样一个操作应该是把pA2所指的对象的A1那部分完全复制到pA1所指的对象里。假设编译器不遵循“原样性”，而是将派生类的成员和基类的成员捆绑在一起存放，去填补空间，那么这样的操作变会产生问题了。A1和A2都占8 byte ，pA2会将其所指的8 byte空间里的内容全部复制给pA1所指的对象，那么pA1所指的对象本来只有2个数据，3 byte的填补空间，而复制后却变成了3个数据，2 byte的填补空间了，对于char c ，我们并不想把它复制过来的。这样完全破坏了原语意，而这样引起的bug几乎是无法察觉的。