C++类的存储
c++中最重要的就是类，那么一个类的对象，它在内存中如何存储的？它占
内存中多少个字节？
首先确定类的构成：
1，数据成员：可以是内置类型，类类型。
2，函数成员：虚函数，非虚函数
1）数据成员
内置类型对齐原则
内置类型就是常用的：char,short,long,int,float,double.
这些内置类型在类的对象中对齐方式，字节为单位（在c 中结构体也是一样的）
char 1
short 2
long 4
int 4
float 4
fouble 8
类类型对齐原则（c 中就是结构体对齐原则）
取类中最长的数据成员作为对齐原则。例如，类中最长为 double,那么就是8 个字节。
2）函数成员
函数成员是不占用内存中类的对象的字节。为什么呢，你可以这样理解，c++中为了兼容c
也允许struct 作为类的声明。在c 中struct 是用来声明结构体类型的，只不过c 中的结构
体没有函数成员。
同样 c++中允许的函数成员，只不过是类给函数提供了一个作用域。
一个对象调用函数的时候，可以等价为普通函数的调用
例如：
class A{ cout<<"Hello";};A a;a.f();
a.f()等价于调用f(&a);类中的成员函数（static 成员函数除外）形参中都有个隐含的this
指针，它指向类对象本身。
当对象 a 调用f()的时候，它会把a 的地址传给this 指针，所以f()就等价执行
f(const A* this){ cout<<"Hello";}
所以对象中并不需要保存函数成员。
下面举个例子说明类对象的字节数
eg.1:
class A{ char c; int i;};A a;
这对象a 的内存大小sizeof(a)=8(字节为单位）
解释下：
c 放在起始位置0，占1 个字节。
i 是int 要4 字节对齐，所以前面要空3 字节。它要从位置4 开始存储，占4，5，6，7 四
个位置。
最后类要按照他最长的数据成员对齐，就是i 也就是4 字节对齐.因为已经占用了8 个字节，
8 是对齐4 的，所以不用额外增加字节数了。最后sizeof(a)=8。
例子eg.2:
class B{doube d;char c;A a;//1 中的类类型A};B b;
这对象b 的内存大小sizeof(b)=24(字节为单位）
解释：
d 放在起始位置0 到7，占8 个字节。
c 是char 要1 字节对齐，所以放在位置8，占1 个字节。
b 是类类型，在1 中可以知道它是8 字节对齐的，所以前面要空7 个字节，它从位置16
开始存储，一直到23，占8 个字节。
最后类要按照他最长的数据成员对齐，就是d 也就是8 字节对齐，因为已经占用了24 个字
节，24 是对齐8 的，所以不用额外增加字节数了。最后sizeof(a)=24。
例子eg.3:
class c{char c;int i1;double d;int i2;};C c;
你知道sizeof(c)=多少吗？ 答案：首先存储字符变量c，0位置存储，占1个字节；然后存储整型变量i1，4个字节对齐，因此从4~7位置存储，占4个字节；然后存储双精度变量d,从8~15位置存储，占8个字节；最后存储整型变量i2，从位置16~19存储占4个字节；最后对齐到最长的（8个字节），及补全20~23位置，整个占24个字节。
下面说下特殊的，就是 c 中没有的。
【1】类中有虚函数的时候
我们在一开始的时候，就说了成员函数中有虚函数。c++为了处理多态，所以引入虚函数，
在一个类对象存储空间中，第一个位置需要4 个字节来存储一个指针。这个指针是指向改
类的虚函数表的。也就是这个指针的值就是改类的虚函数表的地址。所以就比上面说的多了
4 个字节。
例如：
class D
{
public:
virtual void f(){};
double d;
}
D d;
sizeof(d)=16;
【2】派生类内存大小
例如：
class E
{
int d0;
char c;
int d1;
};
E e;
sizeof(e)=32;
解释：
基类中有虚函数，所以派生类对象一开始要 4 个字节存储指向虚函数表的指针。
然后继承 D 中的数据成员double d;
它要8 字节对齐，所以前面空4 个字节。
下面就开始存储 d0,c,d1.最后类对齐可计算得到32.
类对象内存结构
首先介绍一下C++中有继承关系的类对象内存的布局：
在C++中，如果类中有虚函数，那么它就会有一个虚函数表的指针__vfptr，在类对象最开始的内存数据中。之后是类中的成员变量的内存数据。
对于子类，最开始的内存数据记录着父类对象的拷贝（包括父类虚函数表指针和成员变量）。 之后是子类自己的成员变量数据。
对于子类的子类，也是同样的原理。但是无论继承了多少个子类，对象中始终只有一个虚函数表指针。
为了探讨C++类对象的内存布局，先来写几个类和函数
首先写一个基类：
class Base
{
public:
virtual void f() { cout << “Base::f” << endl; }
virtual void g() { cout << “Base::g” << endl; }
virtual void h() { cout << “Base::h” << endl; }
int base;
protected:
private:
};
然后，我们多种不同的继承情况来研究子类的内存对象结构。
（1） 无虚函数集继承
//子类1，无虚函数重载
class Child1 : public Base
{
public:
virtual void f1() { cout << “Child1::f1” << endl; }
virtual void g1() { cout << “Child1::g1” << endl; }
virtual void h1() { cout << “Child1::h1” << endl; }
int child1;
protected:
private:
};
这个子类Child1没有继承任何一个基类的虚函数，因此它的虚函数表如下图：
我们可以看出，子类的虚函数表中，先存放基类的虚函数，在存放子类自己的虚函数。
（2）有一个虚函数继承
class Child2 : public Base
{
public:
virtual void f() { cout << “Child2::f” << endl; }
virtual void g2() { cout << “Child2::g2” << endl; }
virtual void h2() { cout << “Child2::h2” << endl; }
int child2;
protected:
private:
};
当子类重写了父类的虚函数，则编译器会将子类虚函数表中对应的父类的虚函数替换成子类的函数。
（3）全部虚函数都继承
//子类3，全部虚函数重载
class Child3 : public Base
{
public:
virtual void f() { cout << “Child3::f” << endl; }
virtual void g() { cout << “Child3::g” << endl; }
virtual void h() { cout << “Child3::h” << endl; }
protected:
int x;
private:
};
（4）多重继承
多重继承，即类有多个父类，这种情况下的子类的内存结构和单一继承有所不同。
我们可以看到，当子类继承了多个父类，那么子类的内存结构是这样的：
子类的内存中，顺序 ：
（5） 菱形继承
（6）单一虚拟继承
虚拟继承的子类的内存结构，和普通继承完全不同。虚拟继承的子类，有单独的虚函数表， 另外也单独保存一份父类的虚函数表，两部分之间用一个四个字节的0x00000000来作为分界。子类的内存中，首先是自己的虚函数表，然后是子类的数据成员，然后是0x0，之后就是父类的虚函数表，之后是父类的数据成员。
如果子类没有自己的虚函数，那么子类就不会有虚函数表，但是子类数据和父类数据之间，还是需要0x0来间隔。
因此，在虚拟继承中，子类和父类的数据，是完全间隔的，先存放子类自己的虚函数表和数据，中间以0x分界，最后保存父类的虚函数和数据。如果子类重载了父类的虚函数，那么则将子类内存中父类虚函数表的相应函数替换。
（7）菱形虚拟继承
结论：
(1) 对于基类，如果有虚函数，那么先存放虚函数表指针，然后存放自己的数据成员；如果没有虚函数，那么直接存放数据成员。
(2) 对于单一继承的类对象，先存放父类的数据拷贝(包括虚函数表指针)，然后是本类的数据。
(3) 虚函数表中，先存放父类的虚函数，再存放子类的虚函数
(4) 如果重载了父类的某些虚函数，那么新的虚函数将虚函数表中父类的这些虚函数覆盖。
(5) 对于多重继承，先存放第一个父类的数据拷贝，在存放第二个父类的数据拷贝，一次类推，最后存放自己的数据成员。其中每一个父类拷贝都包含一个虚函数表指针。如果子类重载了某个父类的某个虚函数，那么该将该父类虚函数表的函数覆盖。另外，子类自己的虚函数，存储于第一个父类的虚函数表后边部分。
(6) 当对象的虚函数被调用是，编译器去查询对象的虚函数表，找到该函数，然后调用。
最后的三种继承类型还没有理解清楚，后续补充完善。
C++永久对象存储 （Persistent Object Storage for C++）
简介
描述对象类型 从存储器中分配和释放对象 永久对象协议 存储器构造函数 打开存储器 POST++ 的安装 POST++ 类库 和 POST++一起使用 STL 类 替换标准分配子 如何使用 POST++ S调试 POST++ 应用的细节 关于 POST++ 更多的一些信息 简介
POST++ 提供了对应用对象的简单有效的存储。 POST++ 基于内存文件镜像机制和页面镜像处理。POST++ 消除了对永久对象访问的开销。 此外 POST++ 支持多存储，虚函数， 数据更新原子操作， 高效的内存分配和为指定释放内存方式下可选的垃圾收集器。 POST++ 同样可以很好的工作在多继承和包含指针的对象上。
描述对象类型
POST++ 存储管理需要一些信息以使永久对象类型支持垃圾收集器，装载时引用重定位和初始化虚表内函数指针。但不幸的是C++语言没有提供运行时从类中或许这些信息的机制。为了避免使用一些特殊的工具（预处理器）或“脏哄骗”途径（从调试信息中获取类信息），这些信息必须由程序员来指明。这些称为类注册器的东西可以简单的通过POST++提供的一些宏来实现。
POST++ 在从存储器重载入对象时调用缺省构造函数来初始化对象。为了使对象句柄能够存储，程序员必须在类定义中包含宏 CLASSINFO（NAME, FIELD_LIST） . NAME 指明对象的名字。 FIELD_LIST 描述类的的引用字段。在头文件 classinfo.h 定义了三个宏用于描述字段：
REF（x） 描述一个字段。 REFS（x） 描述一个一维固定数组字段。。 （例如：定长数组）。 VREFS（x） 描述可变一维数组字段。可变数组只能是类的最后一个成员。当你定义类的时候，你可以指定一个仅包含一个元素的数组。具体对象实例中的元素个数可以在生成时指定。
这些宏列表必须用空格分开： REF（a） REF（b） REFS（c）。 宏 CLASSINFO 定义了缺省构造函数 （没有参数的构造函数） 和类描述符。 类描述符是类的一个静态成员名为 self_class. 这样类 foo 的描述符可以通过 foo::self_class 访问。 基类和成员的缺省构造函数会被编译器自动调用，你不必担心需要明确调用他们。但是对于序列化的类中的结构成员不要忘记在结构定义中使用 CLASSINFO 宏。然后通过存储器管理注册该类使其可被访问。这个过程由宏 REGISTER（NAME） 完成。类名将和对象一起放在存储器中。在打开存储器的时候类在存储和应用程序之间被镜像。存储器中的类名和程序中的类名进行比较。如果有类没有被程序定义或应用程序和存储器中的类有不同的大小，程序断言将失败。
下面的例子阐述了这些规则：
struct branch { object* obj; int key; CLASSINFO（branch, REF（obj））；};class foo : public object { protected: foo* next; foo* prev; object* arr[10]; branch branches[8]; int x; int y; object* childs[1]; public: CLASSINFO（foo, REF（next） REF（prev） REFS（arr） VREFS（linked））； foo（int x, int y）；};REGISTER（1, foo）；main（） { storage my_storage（"foo.odb"）； if （my_storage.open（）） { my_root_class* root = （my_root_class*）my_storage.get_root_object（）； if （root == NULL） { root = new_in（my_storage, my_root）（"some parameters for root"）； } … int n_childs = …； size_t varying_size = （n_childs-1）*sizeof（object*）； // We should subtract 1 from n_childs, because one element is already // present in fixed part of class. foo* fp = new （foo:self_class, my_storage, varying_size） foo（x, y）； … my_storage.close（）； } }
从存储器中分配和释放对象
POST++ 为了管理存储内存提供了特别的内存分配子。 这个分配子使用两种不同的方法： 针对分配小对象和大对象。所有的存储内存被划分为页面（页面的大小和操作系统的页面大小无关，目前版本的 POST++ 中采用了 512 字节）。 小对象是这样一些对象，他们的大小小于或等于256字节（页面大小/2）。 这些对象被分配成固定大小的块链接起来。每一个 链包含相同大小的块。分配对象的大小以8个字节为单位。为每个对象分配的包含这些块大小为256的的链的数量最好不要大于14（不同的均衡页面数）。 在每个对象之前 POST++ 分配一个对象头，包含有对象标识和对象大小。考虑到头部刚好8个字节，并且在C++中对象的大小总大于0，大小为8的块链可以舍弃。分配和释放小对象通常情况下是非常快的： 只需要从L1队列中进行一次插入/删除操作。 如果链为空并且我们试图分配新的对象，新页被分配用来存储像目前大小的对象（页被划分成块添加到链表中）。大对象（大于256字节）所需要的空间从空闲页队列中分配。大对象的大小和页边界对齐。POST++ 使用第一次喂给随机定位算法维护空闲页队列（所有页的空闲段按照地址排列并用一个特别的指针跟随队列的当前位置）。存储管理的实现见文件 storage.cxx
使用显式还是隐含的内存释放取决于程序员。显式内存释放要快（特别是对小对象而言）但是隐含内存释放（垃圾收集）更加可靠。在 POST++ 中使用标志和清除垃圾收集机制。在存储中存在一个特别的对象：根对象。垃圾收集器首先标志所有的对象可被根对象访问（也就是可以从根对象到达，和通过引用遍历）。这样在第一次GC阶段所有未被标志的对象被释放。垃圾收集器可以在对象从文件载入的时候生成（如果你传递 do_garbage_collection 属性给 storage:
pen（） 方法）。也可以在程序运行期间调用 storage::do_mark_and_sweep（） 方法调用垃圾收集器。但是请务必确定没有被程序变量指向的对象不可从根对象访问（这些对象将被GC释放）。
基于多继承C++类在对象中可以有非零偏移并且对象内也可能有引用。这是我们为什么要使用特别的技术访问对象头的原因。POST++ 维护页分配位图，其中每一个位对应存储器中的页。如果一些大对象分配在几个页中，所有这些对象占用的页所对应的位除了第一个外都被置为1。所有其他页在位图中有对应清空位。要找到对象起始地址，我们首先按页大小排列指针值。然后 POST++ 从位图中查找对象起始页（该页在位图中有零位）。然后从页开始处包含的对象头中取出对象大小的信息。如果大小大于页大小的一半那我们已经找到了对象描述：它在该页的开始处。反之我们计算页中所使用的固定块的大小并且把页中指针偏移按块大小计算出来。这种头部定位方案被垃圾收集器使用，类 object 定义了 operator delete，和被从对象头部解析出对象大小和类信息的方法使用。
在 POST++ 中提供了特别重载的 new 方法用于存储中的对象分配。这个方法需要创建对象的类描述，创建对象的存储器，以及可选的对象实例可变部分的大小作为额外的参数。宏 new_in（STORAGE, CLASS） 提供永久对象创建“语法糖”。永久对象可以被重定义的 operator delete 删除。
永久对象协议
在 POST++ 中所有的永久对象的类必须继承自 object.h 中定义的类 object 。这个类不含任何变量并提供了分配/释放对象及运行时得到类信息和大小的方法。类 object 可以是多继承中一个基类（基类的次序无所谓）。每一个永久类必须有一个供POST++ 系统使用的构造函数（见 Describing object class 一节）。这意味着你不能使用没有参数的构造函数来初始化。如果你的类构造函数甚至没有有意义的参数，你必须加一个虚构的以和宏 CLASSINFO 创建的构造函数区别开来。
为了访问永久存储器中的对象程序员需要某种根对象，通过它可以使用普通的C指针访问到每一个其他对象。POST++ 存储器提供了两个方法用于指定和得到根对象的引用：
void set_root_object（object* obj）； object* get_root_object（）；
当你创建新存储时 get_root_object（） 返回 NULL。你需要通过 set_root_object（） 方法创建根对象并且在其中保存引用。下一次你打开存储时，根对象可以通过 get_root_object（） 得到。
提示：在实际应用中类通常在程序开发和维护过程中被改变。不幸的是 POST++ 考虑到的简单没有提供自动对象转换的工具（参见 GOODS 中的懒惰对象更新设计示例），所以为了避免添加新的字段到对象中，我只能建议你在对象中保留部分空间供将来使用。这对根对象来说意义尤其重大，因为它是新加入对象的优选者。你也需要避免转换根对象的引用。如果没有其他对象含有指向根对象的引用，那么根对象可以被简单的改变（通过 set_root_object 方法）到新类的实例。POST++ 存储提供设置和取得村出版标识的方法。这个标识可以用于应用根据存储器和应用的版本来更新存储器中对象。
存储器构造函数你可以在应用中同时使用几个存储器。存储器构造函数有一个必需的参数 - 存储文件路径。如果这个文件没有扩展名，那么 POST 为文件名添加一个后缀“。odb”。这个文件名也被 POST++ 用于形成几个辅助文件的名字：
文件描述使用时机后缀包含新存储器映像的临时文件用于非事务处理模式下保存存储器新映像".tmp"事务记录文件用于事务模式下保存镜像页面".log"保存存储器文件备份仅用于Windows-95下重命名临时文件".sav"
存储器构造函数的另两个参数具有缺省值。第一个参数 max_file_size 指出存储器文件扩展限制。如果存储器文件大于 storage::max_file_size 那么它不会被切除但是也不可能更进一步的扩展。如果 max_file_size 大于文件大小，行为依赖于打开存储器的模式。在事务模式下，文件在读写保护下被镜像到内存中。Windows-NT/95 扩展文件大小到 max_file_size。文件大小被 storage::close（） 方法缩短到存储器中最后一个对象的边界。在 Windows 中为了以读写模式打开存储器需要在磁盘上至少有 storage::max_file_size 的空闲字节数即使你不准备向其中加入新对象。
存储器构造函数的最后一个参数是 max_locked_objects，这个参数仅在事务模式下用于提供镜像页面的写事务记录文件的缓冲区。为了提供数据一致性 POST++ 必须保证修改页在刷新到磁盘前镜像页被保存在事务记录文件中。POST++ 使用两个途径中的一个：同步记录写 （max_locked_objects == 0） 和在内存中页面锁定的缓冲写。通过内存中锁定页面，我们可以保证它在事务记录缓冲钱不被交换到磁盘上。镜像页面在异步方式下被写到事务记录文件中 （包括启用操作系统缓冲）。当锁定页面数超过 max_locked_pages，记录文件缓冲被刷新到磁盘上并且所有锁定页面被解锁。这个方法可以显著的提高事务处理能力（在NT下提高了5倍）。但是不幸的是不同的操作系统使用不同的方法在内存中锁定页面。
Windows 95 根本不支持。 在 Windows NT 每个进程可以锁定它的页面，但是锁定页面的总数不可以超过进程运行配置限制。在缺省情况下进程可以锁定超过30个的页面。如果你指定 max_locked_pages 参数大于30，那么 POST++ 将试图扩展进程配置适合你的需求。但是从我的经验来看30个和60个锁定页面之间性能的差距是非常小的。 在Unix下只有超级用户可以在内存中锁定页面。这是之所以文件构造函数检查进程是否具有足够的权限使用锁定操作。因此如果你指定 max_locked_pages 参数大于0，那么在存储类创建时将决定使用同步还是异步写事务记录文件。如果你希望使用内存锁定机制带来的好处（2-5 倍，根据事务类型），你需要改变你的应用的所有者为 root 并且给予 set-user-ID 权限：chmod +s application.
打开存储器
POST++ 使用内存内存映射机制访问文件中的数据。在 POST++ 通过两个不同的方法提供数据一致性。首先而且更加先进的是基于事务机制使用的镜像页面在出错后来提供存储恢复和事务回滚。在写镜像页面前创建运算被使用。这个运算以如下方式执行：所有文件映射页面被设置为只读保护。任何对这些页面的写访问将引起访问违反异常。这个异常被一个特别的句柄捕获，它改变页面保护为可读写并放这个页面的拷贝在事务记录文件中（记录文件名为原文件名和后追“。log”的组合）。所有接下来这个页面的写操作将不再引起页面错误。存储器方法 commit（） 刷新所有的改变页面到磁盘上并截断记录文件。storage::commit（） 方法被 storage::close（） 隐含调用。如果错误在 storage::commit（） 操作前发生，所有的改变将通过拷贝事务记录中改变的页面到存储数据文件被复原。同样所有的改变可以通过显式调用
|( 京ICP备09078825号 )
发表于 2017-6-11 21:26:31
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