C++ 物件模型核心筆記：從佈局到虛函數表

前言

《C++ 物件模型》一書深入剖析 C++ 底層實作機制。本文整理核心知識點，涵蓋物件佈局、虛函數表、繼承模型、建構函式語意等，助你透視 C++ 「引擎蓋下」的運作邏輯。

一、C++ 物件模型包含什麼？

• 語言直接支援的 OO 特性（類別、繼承、多型）
• 底層實作機制（記憶體佈局、虛表、指標調整等）

二、資料成員與成員函式的儲存規則

三、虛函數機制：vptr 與 vtable

1. 每個含虛函數的類別產生一張虛函數表（vtable），表項為函數指標。
2. 每個類別物件隱含一個指標（vptr），指向其類別的 vtable。
3. 呼叫虛函數時：obj->vptr[vtable_index] 間接跳轉，實現動態繫結。

四、繼承與虛擬繼承

單一繼承

衍生類別物件包含基底類別子物件，vptr 指向衍生類別的 vtable（覆寫函數已更新）。

多重繼承

物件包含多個基底子物件，每個基底有自己的 vptr，衍生類別可能有多個 vptr。

虛擬繼承

無論在繼承鏈中出現多少次，虛擬基底類別在衍生物件中永遠只有一個實體。編譯器透過額外指標或偏移量實現共享，增加存取開銷但解決菱形繼承問題。

五、關鍵字 struct vs class

• struct：預設 public 繼承/成員，體現「資料聚合」概念。
• class：預設 private，體現 ADT（抽象資料類型）封裝概念。
• 底層實作無差異，純粹語意與預設可見性不同。

六、建構函式與拷貝語意

• 編譯器合成的預設建構函式僅初始化基底與類別成員，不初始化 non-static 資料成員（除非它們有預設建構函式）。
• 成員初始化順序遵循類別中宣告順序，而非初始化列表順序。
• 預設拷貝建構函式執行 bitwise copy（位元逐位拷貝），針對指標成員易導致雙重釋放錯誤，需自訂深層拷貝。

七、空類別大小與對齊

• 空類別大小至少 1 byte，確保每個物件擁有唯一位址。
• 類別大小受三因素影響：語言額外負擔（vptr）、編譯器優化（空基底優化 EBO）、記憶體對齊需求（如 32 位系統 4 byte 對齊）。

八、指標本質

指標大小固定，其類型僅告知編譯器如何解讀所指記憶體（解引用大小、算術運算步長）。指標轉型不改變位址值，只改變編譯器對該記憶體的「解讀方式」。

九、物件切割

以衍生類別物件初始化基底類別物件（或傳值給基底參數）時，衍生部分被「切掉」，僅保留基底子物件。避免方式：使用指標/參考傳遞、多型設計。

總結

理解物件模型能幫你：預估物件大小、避免切割陷阱、優化虛函數呼叫、正確管理資源生命週期。C++ 高效能的代價是程式設計師必須理解其底層契約。