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标题: [原创连载]大话C++对象模型（8月3日更新） [查看完整版帖子] [打印本页]

时间: 2011-8-2 23:31

作者: calitrean 标题: [原创连载]大话C++对象模型（8月3日更新）

一.从struct开始说起
相信每一个学过C语言的同学都知道struct，用于定义用户自己的抽象数据类型

OK，下面来看一段代码：

#include <iostream.h>
struct A
{
int a;
int b;
};
A a;
int main()
{
cout<<sizeof(a)<<"\n";
return 0;
}

复制代码

这是一段很普通的代码，定义了一个struct A类型的变量，然后将这个变量所占空间的大小给打印出来

细心的读者可能发现了这里的语法和以前学的纯C语言有点不太一样，在很多纯C编译器中，是不能这样定义的，要么在定义struct A类型的同时定义一个该类型的变量：

struct A
{
int a;
int b;
}a;

复制代码

要么先把struct A定义为一个类型，再定义一个该类型的变量：

typedef struct A
{
int a;
int b;
};
A a;

复制代码

为什么C++里面就可以这样定义呢？因为C++编译器对C进行了扩展

下面来看看C++特有的东西：class

class B
{
int a;
int b;
};
B b;
int main()
{
cout<<sizeof(b)<<"\n";
return 0;
}

复制代码

和前面一样，我们定义了class B和它的对象b，并且打印了这个对象所占空间的大小。

运行这两个程序，发现它们的运行结果是相同的：

呵呵，是不是感觉struct和class有些相似啊！但是您可能会问“class里可以定义函数，struct里也可以吗？”，答案当然是肯定的。

现在我们将代码修改一下：

#include <iostream.h>
struct A
{
int a;
int b;
void f()
{
}
};
A a;
class B
{
int a;
int b;
void f()
{
}
};
B b;
int main()
{
cout<<"\n"<<sizeof(a)<<"\n";
cout<<"\n"<<sizeof(b)<<"\n";
return 0;
}

复制代码

运行结果如下：

可以看出，struct里面也是可以定义函数的。那么，struct和class真的完全一样吗？答案是否定的

我们再将代码修改一下：

#include <iostream.h>
struct A
{
int a;
int b;
void f()
{
}
};
A a;
class B
{
int a;
int b;
void f()
{
}
};
B b;
int main()
{
a.a = 1;
b.a = 2;
return 0;
}

复制代码

运行代码，结果。。。无法通过编译，编译器报错：

原来出错点在这里：

看来struct和class还是有不同的！不同点就在于：
struct成员的默认访问权限是public的，而class成员的默认访问权限是private的！
可见，struct和class并没有本质区别，除了默认的成员访问权限不一样。

也许您学过JAVA，会发现在C++中定义class和在JAVA里不大一样，在C++里定义一个class后需要一个“；”，但是在JAVA中缺不需要。
这是因为C++是从C演化而来，这个“++”就是在C的基础上加了一些东西，一些面向对象的东西。同理，GPRS可以叫GSM++，HSPA可以叫3G++，呵呵
回到正题，因为C++是从C语言演化而来，是C语言的超集，因此保留了向前兼容的特性，因为C++中的class是从C语言中的struct演化而来，因此保留了struct定义时的格式：

struct A{};
class B{};

复制代码

在这点上，JAVA似乎要洒脱得多：

public class A{}

复制代码

可以看出，在面向对象方面，JAVA比C++更彻底，因为JAVA自诞生之日起就是一门纯粹的面向对象的编程语言。

[ 本帖最后由家园小助手于 2011-12-20 14:30 编辑 ]

时间: 2011-8-3 01:44

作者: calitrean

二.成员对齐方式
来看看我们之前定义的struct：

struct A
{
int a;
int b;
};

复制代码

假设我们用的是32位CPU，那么sizeof(A)的结果是什么？
嗨，那还不简单嘛，32位机器上int类型占4个字节，struct A里面有2个int型变量，那就是8个字节呗！

没错，在这个例子中，sizeof(A)的结果的确是8，上一节中的运行结果证明了这个结论。

下面，我们把代码修改一下：

struct A
{
int a;
short b;
};
int main()
{
cout<<sizeof(short)<<"\n";
cout<<sizeof(A)<<"\n";
return 0;
}

复制代码

运行结果如下：

呵呵，是不是感觉有点不对啊，int a占4个字节，short b占2个字节，struct A应该是4+2=6个字节啊，怎么变成8个了？？？

我们还是从CPU的内存地址对齐开始说起吧。。。

以32位CPU为例，在自然对齐方式下，基本数据类型（如short，int，double）变量的地址必须被他们的大小整除。这句话怎么理解呢？打个比方，对于int类型的变量，因为sizeof(int)等于4，因此存放int类型变量的起始地址必须能被4整除。同理，short类型变量的起始地址要能被2整除，对于char和bool类型的变量则没有特别要求。

回到我们的程序中，在struct A中，int a的起始地址应该能被4整除，short b的起始地址应该能被2整除。我们来看看下面这段程序的运行结果：

struct A
{
int a;
short b;
};
A a;
int main()
{
cout<<"\n"<<&a.a<<"\n";
cout<<"\n"<<&a.b<<"\n";
return 0;
}

复制代码

可见，struct A中，int a的起始地址是0x0042E058，可以被4整除；short b的起始地址是0x0042E05C，可以被2整除。

但是这里有个问题，为什么sizeof(A)的值是8呢？这说明编译器在short b之后又自动填充了2个字节，因此sizeof(A)=sizeof(int a)+sizeof(short b)+2个填充字节。

编译器为什么要在short b的后面自动填充2个字节呢？当然是为了地址对齐。可是在这个例子中，即使不填充这2个字节，int a和short b的起始地址不也满足了CPU的对齐要求了吗？
是的，在单个struct A变量中，short b后面即使没有填充2个字节一样能满足CPU的地址对齐要求，但是如果我们定义一个struct A的数组呢，情况会怎样？

情景一：假设编译器没有在short b后面填充2个字节
我们定义一个struct A的数组：

struct A
{
int a;
short b;
};
A a[2];

复制代码

对应的内存地址如下：

可以看出，数组的第一个元素中的int a和short b都满足CPU的地址对齐要求，但是第二个元素中的int a显然不能满足CPU的地址对齐要求，因为0x0042E05E这个地址显然无法被4整除

情景二：假设编译器自动在short b后面填充2个字节

可以看出，第二个元素中的int a的地址是0x0042E060，显然该地址是能被4整除的

Oh，编译器自动填充那2个字节的目的就在于此！

这里有一个问题，那就是CPU为什么需要地址对齐呢？
在32位CPU中，数据总线是32位，一次可以存取4个字节的数据
现在，让我们重温一下前面的两个情景
情景一：假设编译器没有在short b后面填充2个字节

可以看出，对于A a[2]中第一个元素中的int a，CPU可以很方便地将其取出；对于之后的short b，CPU可以一次取出4个字节后丢弃高位的2个字节
但是对于A a[2]中第二个元素中的int a，CPU无法一次取出，须先去一次丢弃低位的2个字节再取一次丢弃高位的2个字节，然后将结果拼凑在一起

情景二：假设编译器自动在short b后面填充2个字节

可以看出，CPU只需一次就可以很方便地取出第二个元素中的int a

这就是以空间换取时间啊！

那么有没有办法能让CPU按照我自己的要求进行地址对齐呢？当然可以，利用#pragma pack宏就可以
比如，我想让CPU按照2个字节的方式对齐，则代码如下：

#include <iostream.h>
#pragma pack(push,2)
struct A{
int a;
short b;
};
A a;
int main()
{
cout<<"\n"<<sizeof(a)<<"\n";
cout<<"\n"<<&a.a<<"\n";
cout<<"\n"<<&a.b<<"\n";
return 0;
}

复制代码

运行结果如下：

可以看出，在我们要求的2字节对齐方式下，sizeof(a)的结果是6，struct A只占了6个字节，一点也没有浪费

[ 本帖最后由 calitrean 于 2011-8-3 02:16 编辑 ]

时间: 2011-8-3 02:33

作者: calitrean

三.没有成员变量的struct
来看看下面这段代码：

#include <iostream.h>
struct A
{
};
A a;
int main()
{
cout<<"\n"<<sizeof(a)<<"\n";
return 0;
}

复制代码

运行结果如下：

似乎是有点不可思议，一个没有任何元素的struct居然占了1个字节的空间，这是为什么呢？
因为编译器自动的给它填充了一个字节
那么，为什么要填充这一个字节呢？
因为我们需要在内存中能找到变量A a。
如果一个变量不占任何空间，那它岂不是相当于不存在嘛！那不是变量，那是幽灵，至于您信不信，反正我是信了
所以，找一个字节必须要填充，那是A a存在的证据！

好了，我们再来看看另一端代码：

#include <iostream.h>
struct A
{
int a[0];
};
int main()
{
cout<<"\n"<<sizeof(A)<<"\n";
return 0;
}

复制代码

运行结果如下：

这似乎也是一个空的struct，运行的结果不出意料。

但是如果struct中还有其他变量呢？比如：

#include <iostream.h>
struct A
{
int a;
int b[0];
};
int main()
{
cout<<"\n"<<sizeof(A)<<"\n";
return 0;
}

复制代码

运行结果如下：

好像这次编译器没有在里面填充一个字节了，因为struct A里面有一个int a，因此struct A至少占了4个字节的空间，不会以幽灵的方式存在了，因此编译器就没有必要再往里面填充字节了。

但是，在struct A中定义一个int a[0]有意义吗？当然有
比如，某个家庭里有一个爸爸一个妈妈还有很多个孩子：

struct Family
{
int father;
int mother;
int children[0];
};

复制代码

某个周末，这对父母要带孩子们出去玩，他们可以带一个孩子，也可以带2个孩子，还可以带N个孩子：

int main()
{
Family *p=(Family*)malloc(sizeof(Family)+sizeof(int)*N);
p->children[0] = LUCY;
p->children[1] = TOM;
...
return 0;
}

复制代码

有一点要注意，0元素数组在struct和class之外定义

编译器会报错：

因为编译器认为之所以使用0元素数组是为了对struct和class作一个长度不可预知的扩展。

[ 本帖最后由 calitrean 于 2011-8-3 03:20 编辑 ]

时间: 2011-8-3 08:29

作者: zxh315

ding

时间: 2011-8-3 08:38

作者: ctao

c难学吗？想问问

时间: 2011-8-3 10:23

作者: rillhu

写的很好啊，对于学C，又想学C++的很有指导意义。

时间: 2011-8-3 10:40

作者: pxl888 标题: 回复 2# 的帖子

非常好啊，希望LZ能连载啊！

时间: 2011-8-3 11:51

作者: 猪没本事

貌似又是个连载，占楼学习，这种帖得留名

时间: 2011-8-3 12:06

作者: 愤怒的小麻雀

呵呵，学习一下。喜欢这种类型的

时间: 2011-8-3 12:36

作者: 北回归线以北

好东西可以看看

时间: 2011-8-3 13:20

作者: iamcatcher

呵呵支持。不过这个论坛技术氛围不浓。

时间: 2011-8-3 13:58

作者: klarke

不错，以资鼓励

时间: 2011-8-3 13:59

作者: klarke

发帖随机事件
熬夜2周，软件调测工程被评优，省移动奖励 200 金钱，公司老总奖励 200 金钱，回家，为讨女友欢心，奖金全部上缴之外，还花去 2 金钱买礼物！

时间: 2011-8-3 14:21

作者: 923450

还没学过C++，学习一下

时间: 2011-8-3 16:47

作者: bellinwater

终于看到楼主开贴了

时间: 2011-8-3 20:28

作者: yonka

有意思~
东西比较基础~但是很耐人寻味~

时间: 2011-8-3 22:15

作者: xiaoshan429

赶上直播了？留名。楼主加油

时间: 2011-8-4 08:47

作者: 13527598856

试试

时间: 2011-8-4 13:16

作者: tjhwa

透彻

时间: 2011-8-4 14:13

作者: mingming1105

mark

时间: 2011-8-4 20:17

作者: irg723

看了此贴，一些原来模糊的概念清晰了，希望继续下去！

时间: 2011-8-6 13:19

作者: xueshanfeiyign

风姐姐该给我们讲讲微电子。

时间: 2011-8-7 15:18

作者: tbq2007

谢谢楼主，好人一生平安。

时间: 2011-8-7 21:58

作者: AmazonBoy

楼主也应该加个#include <malloc.h>吧。。。

时间: 2011-8-7 23:25

作者: loey

赶上直播帖了，对于只学过c，看c++的还有点恼火，不过希望lz继续连载，我要天天捧场

时间: 2011-8-8 09:48

作者: qyf404

楼主分析的很好。至于你们信不信，反正我信了。

时间: 2011-8-9 07:53

作者: yinhexitaiyang

又来一个好贴，谢谢lz.

学习！

时间: 2011-8-9 10:59

作者: irg723

这更新速度有点慢啊！

时间: 2011-8-9 16:22

作者: bossop 标题: 你是干什么的，刚开始学C++吗

我们有的谈

时间: 2011-8-10 16:02

作者: matrowang

谢谢分享。

时间: 2011-8-15 14:04

作者: ironman2006

赶紧继续连载呀

时间: 2011-8-22 11:23

作者: bird1015

怎么没有继续更新了呢？

时间: 2011-8-25 20:43

作者: 663799675 标题: 阿斯顿撒旦

实打实大队的

时间: 2011-8-27 22:43

作者: songchy008

时间: 2011-8-31 19:11

作者: 好男人我是

顶后再看，楼主威武。

时间: 2011-8-31 21:27

作者: 涂国强

好东西！学习的好资料

时间: 2011-9-2 10:51

作者: yadodo

很好，加油啊

时间: 2011-9-3 23:04

作者: mt8870 标题: 顶楼主，期待连载

顶楼主，期待连载

时间: 2011-9-9 19:10

作者: woi071031

楼主强大！

时间: 2011-9-9 19:46

作者: 二进制

挺感兴趣

时间: 2011-9-10 23:46

作者: ylibill

C++的咋在这开搞了？

时间: 2011-9-25 12:51

作者: z7xiaoh

很好，很强大

时间: 2011-10-8 20:22

作者: nich2009

赞，分析的很不错

时间: 2011-10-9 13:42

作者: MichaelShang

对齐那里讲得很透彻，支持楼主！！！

时间: 2011-10-11 15:56

作者: loilih

C++都忘光了 struct 是结构体吧

时间: 2011-10-17 21:16

作者: lovesky126

还没学过C++，学习一下

时间: 2011-10-18 15:53

作者: Timberlalalala

很好啊，mark一下

时间: 2011-10-18 19:04

作者: xddsp

写得很好，支持楼主继续写下去

时间: 2011-11-2 14:39

作者: raowenlin

顶

时间: 2011-11-3 23:46

作者: leah2012

这个东西整理出来应该不错哦多讲讲受教了

时间: 2011-12-21 12:35

作者: luo2627

长叹一声~

时间: 2012-3-9 20:06

作者: chuqingwang

为什么不连载了呢？

时间: 2012-11-29 14:57

作者: wing_in_sky

mark......

时间: 2014-12-3 23:47

作者: Dawn_zg

手机看不了代码，郁闷

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