[GeekBand][C++面向对象高级编程(下)]第四周作业

题目：分别给出下面的类型Fruit和Apple的类型大小（即对象size），并通过画出二者对象模型图以及你的测试来解释该size的构成原因。

class Fruit{test
   int no;
   double weight;
   char key;
public:
   void print() {   }
   virtual void process(){   }
};
   
class Apple: public Fruit{
   int size;
   char type;
public:
   void save() {   }
   virtual void process(){   }
};

注意到：
析构函数设置为虚函数并不影响sizeof结果，只是在vtbl里面多增加一项。
观察这道题目主要有两点需要考虑。第一，当类里面存在虚函数时，这个类所占的内存就会比没有虚函数时候大一点，多出来的原因是在类的成员变量前面会多出一个指针（vptr），它指向虚指针表（vtbl），虚指针表里面的每一个指针再指向对应的虚函数。从而实现动态绑定；第二，在C语言介绍struct时，就说过一点，大多数计算机，数据项要求从某个数量字节的倍数开始存放，如short从偶数地址开始，int则被对齐在4字节边界。为了满足内存对齐，在比较小的成员后面会加入补位。在用不同的操作系统和编译器时也发现了，sizeof的结果有所不同，所以这道题目并没有正确的答案，本次实验是在macOS Sierra Version 10.12.5 64-bit操作系统下，用Apple LLVM version 8.1.0 (clang-802.0.38)变异的，GCC的版本是4.2.1。

1. 对象模型图：

在这篇博客中借用一下这张图。
[Boolan] C++第四周 homework 虚函数表与内存对齐

modelC.png

大概就是这个意思，虚函数表的指针（vptr）在内存中会出现在其他所有成员之前，C++语言规范明确定义了内存上的成员变量的顺序和代码定义时的顺序是一致的（为了保证与C语言兼容）。正因为存在这样的顺序，所以在初始化子类的时候，会先初始化父类的成员变量，再初始化子类的。对象切割（Object Slicing）也可以顺利进行。

vptr的位置在规范中没有确定。当然我们可以去测试一下看看vptr到底在什么位置。测试代码如下：

    Fruit f1, f2;
    Apple a1;
    int* pf1 = (int*) &f1;
    int* pf2 = (int*) &f2;
    int* hpf1 = (int*) *pf1;
    int* hpf2 = (int*) *pf2;
    cout << *pf1 << endl << *(pf1 + 1) << endl;
    cout << *pf2 << endl << *(pf2 + 1) << endl;
    cout << hpf1 << endl;
    int* pa1 = (int*) &a1;
    int* hpa1 = (int*) *pa1;
    cout << hpa1 << endl;
    return 0;

某一次出来的结果是：

94818464
1
94818464
1
0x5a6d0a0
0x5a6d0c8

2. Sizeof和解析
   在之前声明的环境下，编译得到的结果如下：

sizeof(Fruit) = 32
sizeof(Apple) = 40
size of Fruit.no (int): 4
size of Fruit.weight(double):8
size of Fruit.key(char): 1
size of Apple.size (int): 4
size of Apple.tpye(char):1
Fruit        = 5791d410
Fruit.no     = 5791d418
Fruit.weight = 5791d420
Fruit.key    = 5791d428
Apple        = 5791d3e8
Apple.no     = 5791d3f0
Apple.weight = 5791d3f8
Apple.key    = 5791d400
Apple.size   = 5791d404
Apple.type   = 5791d408

对应的内存图粗粗弄了一下，应该是这样：

size.png

Apple是Fruit的子类，此为两级的单链继承结构。在Apple和Fruit对象内部，均遵循以下原则：

1. 对象中的第一个成员是指向虚表的虚指针；
2. 对象是按照声明中的顺序被保存的；

对于编译器而言，其遵循以下的原则：

1. 按声明中出现的顺序进行内存分配
2. 要求数据成员的起始地址也必须是内部最大基本数据类型的整数倍，也就是说，在虚指针和数据成员之间必须存在4个占位字节
3. 如果类中存在虚函数，在对象的起始处会有虚指针。
4. 在所有变量的内存分配结束后，对象要填补成内存中的最大的基本类型变量的倍数。例如，如果一个类中最大的基本类型是double，那么它最后需要填补成8的整数倍。

还有三个特点在Fruit和Apple的关系中没有涉及到，他们是：

1. 多重继承的情况下，在每个基类的前边上会有不同的vptr；
2. 如果在派生类中存在新的虚函数，则会产生一个兼容基类的虚表，而不会添加新的表；
3. 组合关系时，内部类的起始地址应从内部类的最大的基本数据类型的整数倍处开始。
   综合前4个特点，可以计算得到Fruit的大小是((4+4)+(4+4)+8+(1+7))=32Bytes;而Apple的大小是(32+4+(1+4))=40Bytes。