【C++】对象模型与内存模型的区别

news2024/10/6 12:28:56

0 引言

闲聊：❣️随着学习的深入，总是会涉及到内存模型和对象模型。最开始接触这两个概念的时候总是觉得很抽象，什么是模型，三维模型？，显然不是。下面就来学习一下这两个概念❣️

1 C++ 内存模型

C++内存模型描述了C++程序如何在内存中分配和管理内存。它包括栈、堆以及全局/静态存储区等不同的内存区域。

C++内存分区有很多种，从不同的角度可以划分成不同的分区模块，下面就讲述一下通常情况下的分区：

栈（Stack）
栈是用于存储局部变量和函数调用信息的内存区域。
它在程序运行时动态地增长和收缩。每当函数被调用时，该函数的局部变量和返回地址等信息都会被压入栈中。当函数执行结束后，这些信息会从栈中弹出。栈的分配和释放是由编译器自动管理的，因此栈上的内存是自动分配和释放的，具有较快的分配和释放速度，但大小受到限制。
堆（Heap）
堆是用于动态分配内存的内存区域。
它的大小通常比栈大得多，并且可以在程序运行时根据需要动态地分配和释放内存。在堆上分配的内存通过调用new运算符或malloc函数来实现，并且需要手动释放，否则会导致内存泄漏。堆上的内存可以被多个部分共享，并且需要程序员显式地管理。
全局/静态存储区（Global/Static Storage）
全局存储区用于存储全局变量和静态变量，它在程序的整个生命周期内都存在。
全局变量是在程序开始时就被初始化的，而静态变量则在第一次使用时初始化，并且在程序的整个执行过程中保持其值不变。全局/静态存储区的内存由编译器分配和释放。
常量存储区（Constant Storage）
常量存储区用于存储常量值，如字符串常量。
这些常量值在程序的整个执行过程中保持不变。常量存储区的内存由编译器分配和释放。
程序代码区（Code Segment）
程序代码区存储程序的执行代码。
这些代码在程序运行期间是只读的，不可修改。代码区的内存由操作系统加载和管理。

2 C++ 对象模型

在C++对象模型中，一个类的对象通常由成员变量和成员函数组成。成员变量存储对象的状态信息，而成员函数定义了对象的行为。对象的成员变量在内存中按照声明的顺序依次存储，成员函数则是共享的，不会为每个对象创建一份副本。

C++的对象模型还包括对继承关系的支持。当一个类继承自其他类时，它会继承父类的成员变量和成员函数，并可能添加自己的新成员。继承关系在内存中通常通过在对象布局中添加额外的内存来实现。

在C++对象模型中，变量、成员函数和虚函数的组织方式如下：

变量的组织：
非静态成员变量，它们按照声明的顺序依次存储在对象的内存中。每个对象都有自己的成员变量副本。
静态成员变量 在类的所有对象之间共享，它们存储在类的静态数据区中，而不是对象的内存中。
成员函数的组织：
非静态成员函数不会存储在对象的内存中。它们被视为类的共享函数，可以在所有对象之间共享。
非静态成员函数通过一个隐藏的额外参数（this指针）来访问调用它们的对象的成员变量。
成员函数的指针存储在类的函数表（也称为虚函数表）中。函数表是一个指针数组，其中每个指针指向相应的成员函数。
虚函数的组织：
虚函数是用于实现多态性的特殊类型的成员函数。
类中声明为虚函数的函数被放入虚函数表中。
每个对象都包含一个指向虚函数表的指针（通常称为虚函数表指针），该指针指向类的虚函数表。
当通过基类指针或引用调用虚函数时，会根据对象的实际类型在虚函数表中查找相应的函数，并进行动态绑定。

3 二者区别

C++对象模型和内存模型的主要区别在于它们关注的方面不同。
对象模型关注的是类和对象的组织方式，包括成员变量和成员函数的布局，以及继承关系的处理。
内存模型关注的是程序运行时内存的分配和管理，包括栈、堆和全局/静态存储区的使用。
对象模型是一种高级的概念，描述了C++语言中类和对象的结构和行为。它帮助我们理解和使用面向对象编程的特性，如封装、继承和多态。
内存模型则更加底层，描述了C++程序在运行时如何使用内存。它涉及到内存的分配和释放，以及变量的作用域和生命周期等方面。