最近在看林锐的《高质量程序设计指南——C/C++语言》，在阅读的过程中重温了C++对象的内存分布，在这篇文章里予以总结。
非多态类的内存映像
先看看最基本的非多态类的内存分布，我们这里展示了一个Rectangle类：
class Rectangle {
public:
Rectangle(): m_length(1), m_width(1) {}
~Rectangle() {}
float GetLength()const {return m_length;}
void SetLength(float length) {m_length = length;}
float GetWidth()const {return m_width;}
void SetWidth(float width) { m_width = width;}
void Draw() {...}
static unsigned int GetCount() {return m_count;}
protected:
Rectangle(const Rectangle& copy) {...}
Rectangle& operator=(const Rectangle& assign) {...}
private:
float m_length;
float m_width;
static unsigned int m_count;
};
我们知道，一段程序的内存大致分为代码段、堆栈和静态数据段等区域。这个Rectangle类的所有函数均存储在代码段中。m_count是一个静态变量，因此存储在静态数据段中。用户创建的Rectangle对象，包括它们的m_length，m_width等成员则存储在堆栈段中（书中称之为用户内存区）。
Rectangle的内存映像如下所示：
多态类的内存映像
我们假设Rectangle派生自抽象基类Shape，Shape有一个属性m_color，并且把Draw()移植到Shape中作为纯虚函数，代码如下所示：
class Shape {
public:
Shape():m_color(0) {}
virtual ~Shape() {}
float GetColor()const {return m_color;}
void SetColor(float color) {m_color = color;}
virtual void Draw() = 0;
private:
float m_color;
};
class Rectangle: public Shape {
...
};
Rectangle作为派生类，它会继承基类的非静态成员，并作为自己对象的专用数据成员。同时，编译器会为每一个多态类创建一个虚函数指针数组vtable，该类的所有虚函数地址都保存在这张表里。
多态类的每一个对象中会有一个指针成员vptr，它是一个指向函数指针的指针，指向当前类型所属的vtable。一般来说，vptr会放置在所有数据成员的最前面。
为了支持RTTI，编译器会为每一个多态类创建一个type_info对象，记录该类的类型信息，并把其地址保存在vtable的固定位置（一般是第一个位置）。
按照上面的论述，Rectangle的内存映像如下图所示：
从上图可以看到，派生类的内存构造顺序是按照基类的继承顺序，统一新增在基类子对象的前面的，因此从一个派生对象入手，就可以直接访问到基类的数据成员（因为基类的数据成员被直接嵌入到了派生类对象中）。
访问虚函数的时候，因为要通过vptr间接寻址，因此增加了一层间接性，由此带来了一些额外的运行开销。
虚函数表的运行时访问实现
不同于调用普通的函数，如果一个虚函数被调用，那么我们要到运行时才能知道运行的到底是哪一个类的虚函数。具体是怎么实现这样的效果的呢？书中给出了一种猜测。
因为C++中的数组只能存储一种类型，而虚函数指针的类型是各种各样的，因此编译器定义了一个统一的函数指针类型作为vtable的元素类型：
typedef void (*PVFN) (void);
typedef struct{
type_info * _pTypeInfo;
PVFN _arrayOfPvfn[];
};
所有的虚函数指针都会被强制转换成PVFN后存储在vtable中。
同时，记录下vtable中每一个元素中虚函数指针的实际类型：
typedef void (*PVFN_Draw)(void);
typedef void (*PVFN_~Shape)(void);
真正在调用虚函数时，从vtable中取出的类型只是PVFN，还需要做一个反向的强制转换：
(*(PVFN_Draw)(pShape->_vptr[2]))(pShape); //pShape->Draw();
(*(PVFN_~Shape)(pShape->_vptr[1]))(pShape); //delete pShape;
在这个过程中并没有直接在代码中调用Rectangle::Draw，因为pShape的静态类型虽然是Shape*，但是它实际上指向一个Rectangle对象，而该对象的vptr成员指向Rectangle::_vtable，这个vtable中存储的是Rectangle改写过的虚函数或新加的虚函数的地址，而不是Shape的虚函数的地址，因此实现了对Rectangle::Draw的调用。
对于vtable中虚函数指针的排列顺序，大致遵循的规律是：
1.一个虚函数如果再当前类中是第一次出现，则将其地址插入到该类的每一个vtable的底部
2.如果派生类改写了基类的虚函数，则这个函数的地址在派生类vtable中的位置与它在基类vtable中的位置一致，与它在派生类中声明的顺序无关
3.派生类没有改写的基类虚函数被继承下来并插入派生类的vtable中，因此派生类的vtable布局是和基类的兼容的
比如下面的代码，我们这么定义Shape和Rectangle类：
class Shape {
public:
Shape():m_color(0) {}
virtual ~Shape() {}
float GetColor()const {return m_color;}
void SetColor(float color) {m_color = color;}
virtual void Draw() = 0;
private:
float m_color;
};
class Rectangle {
public:
Rectangle(): m_length(1), m_width(1) {}
~Rectangle() {}
virtual int ObliqueAngle() {return 90;}
virtual void Draw() {...}
virtual ~Rectangle() {}
static unsigned int GetCount() {return m_count;}
protected:
Rectangle(const Rectangle& copy) {...}
Rectangle& operator=(const Rectangle& assign) {...}
private:
float m_length;
float m_width;
static unsigned int m_count;
};
那么它们的虚函数表如下所示：
