面试题：C++单继承下的对象模型与内存布局优化

1. C++ 单继承体系下对象模型和内存布局

对象模型：
- 非虚继承：在单继承非虚函数的情况下，派生类对象包含基类对象的所有成员（数据成员和成员函数），并且在内存中派生类对象的基类部分先存储，然后是派生类新增的成员。例如：

class Base {
public:
    int baseData;
};
class Derived : public Base {
public:
    int derivedData;
};

对于 Derived 对象，内存布局先是 baseData，接着是 derivedData。

虚函数情况：当基类有虚函数时，基类对象会有一个虚函数表指针（vptr），通常放在对象内存布局的开头。这个指针指向一个虚函数表（vtable），vtable 中存储了虚函数的地址。派生类如果重写了虚函数，vtable 中对应虚函数的地址会被替换为派生类的虚函数地址。例如：

class Base {
public:
    virtual void virtualFunc() {}
    int baseData;
};
class Derived : public Base {
public:
    void virtualFunc() override {}
    int derivedData;
};

对于 Derived 对象，内存布局开头是 vptr，接着是 baseData，然后是 derivedData。 2. 内存布局：

内存布局遵循一定的对齐规则。例如，不同类型的数据成员会按照其自身的对齐要求进行对齐。假设 int 是 4 字节对齐，double 是 8 字节对齐。如果一个类中有 int 和 double 成员，int 可能会占用 4 字节后，为了满足 double 的 8 字节对齐，可能会有一些填充字节。

2. 优化内存布局以提高程序性能的思路

合理成员布局：
- 按大小排序成员：将大的数据成员放在小的数据成员之后，以减少填充字节。例如：

class Example {
public:
    double largeData; // 8 字节
    int smallData;   // 4 字节，这里不需要额外填充
};

将频繁访问的成员放在一起：缓存是以块为单位读取内存的，将经常一起访问的成员放在相邻位置，可以提高缓存命中率。例如，如果某些成员总是在特定的函数中一起使用，就把它们放在一起。

继承方式优化：
- 尽量避免不必要的虚函数：虚函数带来了 vptr 和 vtable 的开销。如果某些函数在派生类中不会被重写，就不要声明为虚函数。
- 使用聚合（composition）替代继承：在某些情况下，使用聚合关系而不是继承关系可以更灵活地控制对象的内存布局。例如，如果一个类需要复用另一个类的功能，但不需要继承其接口，可以通过包含另一个类的对象作为成员来实现。

class Helper {
public:
    void helperFunc() {}
};
class Container {
private:
    Helper helper;
public:
    void useHelper() {
        helper.helperFunc();
    }
};

3. 代码示例

成员布局优化示例：

class BadLayout {
public:
    char smallChar; // 1 字节
    double largeDouble; // 8 字节，由于 char 后需要填充 7 字节以满足 double 对齐
    int mediumInt; // 4 字节，又可能需要填充 4 字节
};

class GoodLayout {
public:
    double largeDouble; // 8 字节
    int mediumInt; // 4 字节，不需要填充
    char smallChar; // 1 字节，这里可能填充 3 字节，但总体比 BadLayout 好
};

继承优化示例（避免不必要虚函数）：

class BaseNoVirtual {
public:
    void nonVirtualFunc() {} // 不需要被重写，不声明为虚函数
    int data;
};
class DerivedFromNoVirtual : public BaseNoVirtual {
public:
    void useBaseFunc() {
        nonVirtualFunc();
    }
};

class BaseVirtual {
public:
    virtual void virtualFunc() {} // 不必要的虚函数
    int data;
};
class DerivedFromVirtual : public BaseVirtual {
public:
    void useBaseFunc() {
        virtualFunc();
    }
};

在这个示例中，BaseNoVirtual 没有虚函数，相比 BaseVirtual，其对象没有 vptr 的开销，在性能和内存占用上更优。

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面试题：C++单继承下的对象模型与内存布局优化

知识考点

面试题答案

1. C++ 单继承体系下对象模型和内存布局

2. 优化内存布局以提高程序性能的思路

3. 代码示例