C++成員函數在內存中的存儲方式

用類去定義對象時,系統會爲每一個對象分配存儲空間。如果一個類包括了數據和函數,要分別爲數據和函數的代碼分配存儲空間。按理說,如果用同一個類定義了10個對象,那麼就需要分別爲10個對象的數據和函數代碼分配存儲單元,如下圖所示。

        能否只用一段空間來存放這個共同的函數代碼段,在調用各對象的函數時,都去調用這個公用的函數代碼。如下圖所示。

        

        顯然,這樣做會大大節約存儲空間。C++編譯系統正是這樣做的,因此每個對象所佔用的存儲空間只是該對象的數據部分(虛函數指針和虛基類指針也屬於數據部分)所佔用的存儲空間,而不包括函數代碼所佔用的存儲空間。

        看如下測試代碼:

class D  
{  
public:  
    void printA()  
    {  
        cout<<"printA"<<endl;  
    }  
    virtual void printB()  
    {  
        cout<<"printB"<<endl;  
    }  
};  
int main(void)
{
    D *d=NULL;
    d->printA();
    d->printB();
}
        問題:以上代碼的輸出結果是什麼?

        C++程序的內存格局通常分爲四個區:全局數據區(data area),代碼區(code area),棧區(stack area),堆區(heap area)(即自由存儲區)。全局數據區存放全局變量,靜態數據和常量;所有類成員函數和非成員函數代碼存放在代碼區;爲運行函數而分配的局部變量、函數參數、返回數據、返回地址等存放在棧區;餘下的空間都被稱爲堆區。根據這個解釋,我們可以得知在類的定義時,類成員函數是被放在代碼區,而類的靜態成員變量在類定義時就已經在全局數據區分配了內存,因而它是屬於類的。對於非靜態成員變量,我們是在類的實例化過程中(構造對象)纔在棧區或者堆區爲其分配內存,是爲每個對象生成一個拷貝,所以它是屬於對象的。

        應當說明,常說的“某某對象的成員函數”,是從邏輯的角度而言的,而成員函數的存儲方式,是從物理的角度而言的,二者是不矛盾的。

        下面我們再來討論下類的靜態成員函數和非靜態成員函數的區別:靜態成員函數和非靜態成員函數都是在類的定義時放在內存的代碼區的,因而可以說它們都是屬於類的,但是類爲什麼只能直接調用靜態類成員函數,而非靜態類成員函數(即使函數沒有參數)只有類對象才能調用呢?原因是類的非靜態類成員函數其實都內含了一個指向類對象的指針型參數(即this指針),因而只有類對象才能調用(此時this指針有實值)。

        回答開頭的問題,答案是輸出“printA”後,程序崩潰。類中包括成員變量和成員函數。new出來的只是成員變量,成員函數始終存在,所以如果成員函數未使用任何成員變量的話,不管是不是static的,都能正常工作。需要注意的是,雖然調用不同對象的成員函數時都是執行同一段函數代碼,但是執行結果一般是不相同的。不同的對象使用的是同一個函數代碼段,它怎麼能夠分別對不同對象中的數據進行操作呢?原來C++爲此專門設立了一個名爲this的指針,用來指向不同的對象。

        需要說明,不論成員函數在類內定義還是在類外定義,成員函數的代碼段都用同一種方式存儲。不要將成員函數的這種存儲方式和inline(內聯)函數的概念混淆。不要誤以爲用inline聲明(或默認爲inline)的成員函數,其代碼段佔用對象的存儲空間,而不用inline聲明的成員函數,其代碼段不佔用對象的存儲空間。不論是否用inline聲明(或默認爲inline),成員函數的代碼段都不佔用對象的存儲空間。用inline聲明的作用是在調用該函數時,將函數的代碼段複製插人到函數調用點,而若不用inline聲明,在調用該函數時,流程轉去函數代碼段的入口地址,在執行完該函數代碼段後,流程返回函數調用點。inline與成員函數是否佔用對象的存儲空間無關,它們不屬於同一個問題,不應搞混。

 

一個由 c/c++編譯過的程序佔用的內存分爲以下幾個部分:

1. 棧區:就是那些由編譯器在需要的時候分配,在不需要的時候自動清除的變量的存儲區。裏面的變量通常是局部變量、函數參數等。 

2. 堆區(動態內存分配):通過new和malloc分配,由delete或free手動釋放或者程序結束自動釋放。動態內存的生存期人爲決定,使用靈活。缺點是容易分配/釋放不當容易造成內存泄漏,頻繁分配/釋放會產生大量內存碎片。 若程序員不釋放,程序結束時可能由OS(操作系統)回收。注意它與數據結構中的堆是兩回事,分配方式類似於鏈表。

3.全局區(靜態區)static :全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的。在以前的C語言中,全局變量又分爲初始化的和未初始化的,在C++裏面沒有這個區分了,他們共同佔用同一塊內存區。程序結束後由系統釋放。

4.常量存儲區:這是一個比較特殊的存儲區,裏面存放的是常量,不允許修改。程序結束後由系統釋放。

5. 程序代碼區:存放函數的二進制代碼。 
下面說一下棧存儲和堆存儲的區別:
    棧存儲:棧存儲通常用於存儲佔用空間小,生命週期短的數據,如局部變量和參數變量等。只要棧的剩餘空間大於所申請空間,系統將爲程序提供內存,否則將報異常提示棧溢出。

    堆存儲:由於大量new/delete的使用,容易造成大量的內存碎片;由於沒有專門的系統支持,效率很低;由於可能引發用戶態和核心態的切換,內存的申請,代價變得更加昂貴。首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表,當系統收到程序的申請時, 會遍歷該鏈表,尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點,然後將該結點從空閒結點鏈表中刪除,並將該結點的空間分配給程序,另外,對於大多數系統,會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小,這樣,代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。另外,由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒鏈表中。

在地址分配方面:對於堆來講,向着內存地址增加的方向;對於棧來講,向着內存地址減小的方向增長。(聯繫:小尾端是高位字節在高端地址、低位字節在低位地址,因此在壓棧時先壓高字節後壓低字節)。

分配效率:棧是機器系統提供的數據結構,計算機會在底層對棧提供支持:分配專門的寄存器存放棧的地址,壓棧出棧都有專門的指令執行,這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數庫提供的,它的機制是很複雜的,例如爲了分配一塊內存,庫函數會按照一定的算法(具體的算法可以參考數據結構/操作系統)在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間,如果沒有足夠大小的空間(可能是由於內存碎片太多),就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間,這樣就有機會分到足夠大小的內存,然後進行返回。顯然,堆的效率比棧要低得多。

References:

https://www.jianshu.com/p/96717289ddeb

https://blog.csdn.net/qq_15021091/article/details/41682153

https://blog.csdn.net/eagle_of_sky/article/details/5948889

https://zhidao.baidu.com/question/52843150.html
--------------------- 
作者:Bjut_Search2016 
來源:CSDN 
原文:https://blog.csdn.net/nyist_zxp/article/details/80257760 
版權聲明:本文爲博主原創文章,轉載請附上博文鏈接!

--------------------- 
作者:fuzhongmin05 
來源:CSDN 
原文:https://blog.csdn.net/fuzhongmin05/article/details/59112081 
版權聲明:本文爲博主原創文章,轉載請附上博文鏈接!

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章