C++ 对象模型

这个专栏假设你已经读完「C++ 基础」专栏，能够用 C++ 的类、RAII 和命名空间写出小型程序。现在我们不再按“语法点”来组织内容，而是从另一个角度来回答一个核心问题：

C++ 里的“对象”到底长什么样？

继承、多态、虚函数这些特性，在内存布局和调用流程层面究竟做了什么？

我们不会去做 ABI 级别的实现考古，而是以设计决策为主线，在刚好足够的实现细节上建立心智模型：

• 对象在内存中是怎样排布的；
• 不同的继承/多态写法背后，编译器帮你“偷偷”做了哪些事；
• 这些实现细节反过来如何影响接口设计与代码风格。

为了降低单篇的阅读压力，本专栏会把每个主题拆成粒度更小的几篇文章，你可以按章节渐进式地构建自己的对象模型心智图。

导读

• C++ 对象模型是什么？为什么你需要了解它

  • 解释"对象模型"这个词在本专栏里的具体含义，它和"面向对象编程"的区别，以及掌握它能帮你解决什么实际问题。

• 本专栏的阅读地图与工具准备 (🚧 计划中)

  • 列出先修知识、推荐阅读顺序，以及会用到的工具（Compiler Explorer、GDB/LLDB、AddressSanitizer）的快速入门。

第一部分：对象的内存布局

这一部分回答一个核心问题：一个 C++ 对象在内存里到底长什么样？

• 对象就是一块内存：从 C struct 到 C++ class

  • 从最简单的 POD struct 出发，理解"对象 = 一块带类型标签的内存"。顺带讲清 struct 与 class 的唯一区别（默认访问权限），以及何时用 struct、何时用 class 的风格约定。
  • 涉及语法：struct/class 定义、public/private/protected 访问修饰符

• sizeof 为什么比你想的大？成员布局与内存对齐

  • 通过几个小例子，拆解成员顺序、对齐要求、填充字节如何共同决定对象大小。讲解 alignas 和 alignof 在需要手动控制对齐（如 SIMD、缓存行）时的用法。
  • 涉及语法：sizeof、alignof、alignas、成员变量声明顺序

• 空类的 sizeof 为什么是 1？空基类优化与 [[no_unique_address]]

  • 解释空类大小的规则、空基类优化（EBO）的原理，以及 C++20 [[no_unique_address]] 属性如何让空成员"不占空间"。
  • 涉及语法：空类定义、[[no_unique_address]] 属性

• this 指针从哪来？成员函数的真面目

  • 解释成员函数在 ABI 层面如何被实现成普通函数 + 隐式 this 参数。顺带讲清 const 成员函数的含义（this 变成 const T*）、返回 *this 实现链式调用的原理。
  • 涉及语法：成员函数定义、const 成员函数、*this 返回值

• 静态成员住在哪？类级别数据的内存模型

  • 区分静态成员与普通成员的差异，说明静态成员在内存中的存放位置。讲解静态成员变量的类外定义规则，以及 C++17 inline static 简化写法。
  • 涉及语法：static 成员变量/函数、inline static、类外定义

第二部分：构造、析构与对象生命周期

这一部分回答：对象从"一块内存"变成"可用对象"的过程中，发生了什么？

• 对象的一生：从"分配内存"到"构造完成"

  • 区分"内存被分配"与"对象被构造"两个阶段，理解编译器插入构造/析构调用的规则。顺带讲清默认构造函数何时会被隐式生成、何时会被删除。
  • 涉及语法：构造函数、析构函数、= default、隐式生成规则

• 成员初始化顺序的坑：为什么初始化列表顺序不重要？ (🚧 计划中)

  • 解释成员初始化顺序由声明顺序决定的原因，以及违反这一规则可能导致的微妙 bug。讲解初始化列表语法、类内成员初始化器（C++11）的使用。
  • 涉及语法：初始化列表 : member(value)、类内初始化器 int x = 0;

• 委托构造与继承构造：减少构造函数样板代码

  • 介绍 C++11 委托构造函数（一个构造函数调用另一个）和 using Base::Base; 继承构造函数，说明它们如何简化代码。
  • 涉及语法：委托构造 : ClassName(args)、using Base::Base;

• placement new：在指定内存上构造对象 (🚧 计划中)

  • 解释 placement new 的原理与使用场景（内存池、对象复用），以及为什么必须手动调用析构函数。
  • 涉及语法：new (ptr) T(args)、obj->~T() 显式析构

第三部分：拷贝、移动与特殊成员函数

这一部分回答：编译器"偷偷"帮你生成的那些函数，到底在做什么？

• 拷贝构造与拷贝赋值：编译器默认做了什么？ (🚧 计划中)

  • 解释默认拷贝操作的"逐成员拷贝"行为，何时够用、何时会出问题（如裸指针成员导致的 double free）。讲解拷贝构造函数和拷贝赋值运算符的正确签名。
  • 涉及语法：T(const T&)、T& operator=(const T&)

• 深拷贝 vs 浅拷贝：一张图讲清楚

  • 用内存布局图解释深浅拷贝的区别。顺带讲解 copy-and-swap 惯用法：如何用 swap 优雅地实现异常安全的赋值。
  • 涉及语法：std::swap、以值传递参数的赋值运算符写法

• 移动语义：资源的所有权转移是怎么回事？ (🚧 计划中)

  • 从对象模型角度解释移动语义：移动后源对象的状态、为什么移动比拷贝更高效。讲解移动构造函数和移动赋值运算符的正确签名、noexcept 的重要性。
  • 涉及语法：T(T&&) noexcept、T& operator=(T&&) noexcept、右值引用 &&

• std::move 不移动任何东西：一个常见误解 (🚧 计划中)

  • 解释 std::move 只是一个 cast（把左值转成右值引用），真正的"移动"发生在移动构造/赋值函数里。讲解何时该用 std::move、何时不该用。
  • 涉及语法：std::move()、static_cast<T&&>()

• Rule of 0/3/5：这不是教条，是事故统计

  • 把三条规则放回历史背景里：从 Rule of 3 到 Rule of 5，再到 Rule of 0。讲清为什么它们总是和深浅拷贝、异常安全、移动语义绑在一起。
  • 涉及语法：= default、= delete、拷贝/移动构造与赋值、noexcept

第四部分：继承的内存布局

这一部分回答：继承时，基类和派生类在内存里是怎么"拼"在一起的？

• 派生类对象里藏着一个基类对象 (🚧 计划中)

  • 从内存布局角度解释继承：派生类对象"包含"一个基类子对象，以及这如何影响指针转换。讲解继承的基本语法和 class Derived : public Base 的含义。
  • 涉及语法：继承声明 : public/protected/private Base

• public / protected / private 继承：不只是访问权限 (🚧 计划中)

  • 解释三种继承方式对"is-a"关系和成员可见性的影响。讲解 protected 访问权限的含义、private 继承作为"实现继承"的典型用法。
  • 涉及语法：三种继承方式、protected 成员

• using 声明：改变继承成员的访问权限 (🚧 计划中)

  • 讲解如何用 using Base::member; 在派生类中调整基类成员的访问级别，以及用 using Base::Base; 继承构造函数。
  • 涉及语法：using Base::member;、using Base::Base;

• 继承 vs 组合：什么时候该用哪个？ (🚧 计划中)

  • 总结常见的误用继承场景（为了代码复用而滥用基类），给出一套判断准则：何时用继承（is-a）、何时用组合（has-a）。

• 多重继承的内存布局：指针转换时发生了什么？ (🚧 计划中)

  • 解释多重继承时对象如何包含多个基类子对象，以及向上转型时指针值变化的原因。
  • 涉及语法：多重继承 : public Base1, public Base2

• 菱形继承与虚继承：解决问题的代价 (🚧 计划中)

  • 用 iostream 为例说明菱形继承问题，介绍虚继承如何保证只有一份共享基类，以及带来的额外成本。
  • 涉及语法：virtual 继承 : virtual public Base

第五部分：虚函数与动态多态

这一部分回答：虚函数调用时，编译器和运行时各自做了什么？

• virtual 关键字到底做了什么？ (🚧 计划中)

  • 解释 virtual 的作用：允许派生类重写、启用动态绑定、引入 vptr。对比虚函数与非虚函数在继承中的行为差异（静态绑定 vs 动态绑定）。
  • 涉及语法：virtual 关键字、函数重写

• 纯虚函数与抽象类：定义接口的标准方式 (🚧 计划中)

  • 解释 = 0 的含义、抽象类不能实例化的原因。顺带提及纯虚函数可以有实现体（作为默认实现）的冷知识。
  • 涉及语法：virtual void foo() = 0;、抽象类

• 虚函数表长什么样？vptr 与 vtable 图解 (🚧 计划中)

  • 构建一幅"对象 + vptr + vtable"的概念图，解释单继承下虚函数表的结构。

• p->foo() 这一行代码背后发生了什么？ (🚧 计划中)

  • 围绕 Base* p = new Derived; p->foo();，追踪从构造到调用的全过程：构造时写入 vptr、调用时查表跳转。

• 构造/析构函数里调虚函数：一个经典陷阱 (🚧 计划中)

  • 解释为什么在构造/析构函数中调用虚函数不会得到预期的多态行为（vptr 尚未/已被"降级"）。

• 对象切片：多态对象千万别按值传递 (🚧 计划中)

  • 解释对象切片的成因（按值复制时只拷贝基类部分）、危害，以及如何在代码评审中识别这类问题。

• 虚析构函数：为什么接口类几乎都要写它？ (🚧 计划中)

  • 通过 delete base_ptr 的例子展示非虚析构导致的资源泄漏。讲解 virtual ~Base() = default; 的写法，以及替代方案（protected 非虚析构）。
  • 涉及语法：virtual ~ClassName()、protected 析构函数

• override 和 final：防止重写错误的两个关键字 (🚧 计划中)

  • 介绍 C++11 的 override（显式标记重写，防止签名错误）和 final（禁止进一步重写或继承），说明它们如何帮助编译器捕获常见错误。
  • 涉及语法：override、final（用于函数或类）

第六部分：RTTI 与类型转换

这一部分回答：在运行时如何"安全地"知道对象的真实类型？

• C++ 的四种类型转换：何时用哪个？ (🚧 计划中)

  • 对比 static_cast、dynamic_cast、const_cast、reinterpret_cast 的适用场景与安全性差异。
  • 涉及语法：四种 cast 的语法与典型用法

• RTTI 是什么？typeid 和 type_info 入门 (🚧 计划中)

  • 介绍运行时类型信息的概念、typeid 运算符的用法，以及 type_info 类的基本功能。
  • 涉及语法：typeid(expr)、type_info::name()、type_info::operator==()

• dynamic_cast：安全的向下转型 (🚧 计划中)

  • 解释 dynamic_cast 的工作原理（通过 RTTI 检查类型），与 static_cast 的区别，以及失败时的行为（指针返回 nullptr，引用抛 std::bad_cast）。
  • 涉及语法：dynamic_cast<Derived*>(base_ptr)、dynamic_cast<Derived&>(base_ref)

• 禁用 RTTI 会怎样？性能与替代方案 (🚧 计划中)

  • 讨论 -fno-rtti 的使用场景，禁用后的限制，以及替代方案（如虚函数返回类型 ID）。

第七部分：多态的替代方案与选型

这一部分回答：除了虚函数，还有哪些方式实现"多态"？该怎么选？

• 模板多态：编译期"长出"不同的实现 (🚧 计划中)

  • 用策略模式的例子，展示如何用模板参数替代虚函数，实现零运行时开销的多态。对比模板与虚函数在编译时间、二进制体积、可读性上的取舍。
  • 涉及语法：函数模板、类模板、模板参数

• CRTP：奇异递归模板模式是什么？ (🚧 计划中)

  • 介绍 CRTP 的基本形式 class Derived : public Base<Derived> 与典型用法（静态多态、mixin），解释它如何在编译期实现类似虚函数的行为。
  • 涉及语法：CRTP 模式的模板写法

• std::function：可调用对象的类型擦除 (🚧 计划中)

  • 分析 std::function 的实现原理（内部通常包含虚函数或函数指针）、性能开销与使用场景。
  • 涉及语法：std::function<ReturnType(Args...)>

• std::variant vs 虚函数继承：封闭类型集合的选择 (🚧 计划中)

  • 对比 std::variant 与虚函数继承体系的优劣，介绍 std::visit 配合 overloaded 模式的使用。
  • 涉及语法：std::variant<T1, T2, ...>、std::visit、std::get<T>

• 虚函数 vs 模板：一份实战选型清单 (🚧 计划中)

  • 根据"是否跨动态库""是否需要插件式扩展""是否强调性能""类型集合是否封闭"等因素，给出可操作的选型建议。

• 虚函数的性能成本：没你想的那么大，也没那么小 (🚧 计划中)

  • 从 CPU 微架构角度理解虚函数调用的代价：间接分支、指令缓存、分支预测。讨论编译器的去虚拟化（devirtualization）优化。

第八部分：对象模型与现代 C++ 特性

这一部分回答：现代 C++ 的新特性如何与对象模型交互？

• Lambda 的真面目：编译器生成的匿名类 (🚧 计划中)

  • 解释 lambda 表达式实际上是一个匿名类的实例，捕获列表如何影响闭包对象的大小与布局。讲解 lambda 的完整语法。
  • 涉及语法：[capture](params) -> ret { body }、捕获列表 [=]/[&]/[this]/[x, &y]

• 值捕获 vs 引用捕获：从内存布局理解差异 (🚧 计划中)

  • 分析不同捕获方式的实现（值捕获 = 成员变量拷贝，引用捕获 = 存指针/引用），以及 [=, this]、[*this]（C++17 捕获当前对象副本）的语义差异。
  • 涉及语法：[*this]（C++17）、mutable lambda

• 泛型 Lambda：auto 参数背后是什么？ (🚧 计划中)

  • 解释泛型 lambda（auto 参数）实际上是闭包类带模板 operator() 的简写，以及 C++20 模板 lambda 的完整语法。
  • 涉及语法：[](auto x) {}、[]<typename T>(T x) {}（C++20）

• constexpr 对象：在编译期就"存在"的对象 (🚧 计划中)

  • 解释 constexpr 构造函数的要求，以及 constexpr 对象在对象模型中的特殊地位。讲解 constexpr 函数与 consteval（C++20）的区别。
  • 涉及语法：constexpr、consteval（C++20）、constinit（C++20）

• 聚合初始化与指定初始化器 (🚧 计划中)

  • 解释聚合类型的定义（无自定义构造函数、无私有成员等）、花括号初始化的规则，以及 C++20 指定初始化器 {.x = 1, .y = 2} 的语法。
  • 涉及语法：聚合初始化 T{a, b}、指定初始化器 {.member = value}

• 结构化绑定：优雅地"拆开"对象 (🚧 计划中)

  • 介绍 C++17 结构化绑定的语法与原理，以及它与 std::tuple、std::pair、自定义类型的交互方式。
  • 涉及语法：auto [a, b, c] = expr;

附录：工具与实践

• 用 sizeof、offsetof、Compiler Explorer 验证对象布局 (🚧 计划中)

  • 介绍如何用这些工具验证你对对象布局的理解。讲解 offsetof 宏的用法与限制。
  • 涉及语法：sizeof、offsetof(Type, member)

• 用调试器查看 vptr 和 vtable 的内容 (🚧 计划中)

  • GDB/LLDB 的内存查看命令实操，如何打印 vptr、vtable，验证你的心智模型。

• 对象模型相关的常见 UB：悬空引用、未初始化对象、生命周期越界 (🚧 计划中)

  • 列举与对象模型强相关的 undefined behavior，说明它们在内存层面踩了哪些红线。

• 对象模型视角的代码评审检查清单 (🚧 计划中)

  • 一份检查清单：如何识别切片、生命周期问题、虚析构遗漏、过度继承等常见错误。

读完本专栏后，你应该能：

• 画出 C++ 对象的大致内存布局心智图；
• 清楚地知道什么时候该用继承与虚函数，什么时候应优先考虑组合或模板；
• 理解拷贝、移动、特殊成员函数的生成规则，写出资源安全的代码；
• 在虚函数、模板多态、类型擦除之间做出合理选型；
• 在代码评审中用"对象模型"的语言讨论接口设计；
• 借助工具"看见"对象模型，从而更有底气地做出架构决策。