Как выглядят полиморфные объекты в памяти

Когда-то, я интересовался тем, как объекты С++ располагаются в памяти но быстрый гуглеж ничего не нашел. Недавно, я набрел на статью по теме и, думаю, она может помочь таким как я. Это — ее свободный перевод.



Способы представления абстрактных и не абстрактных объектов в памяти немного отличаются. Давайте, для примера, напишем несколько классов двумерных фигур: круг, прямоугольник и треугольник. Все они будут унаследованы от базового класса-фигуры «shape», который определяет общие для всех фигур свойства — положение, цвет границы и цвет заливки.

Каждый наследник добавляет дополнительные свойства для того, чтобы описать свою геометрию. К примеру, у круга это — радиус, а у треугольника — две стороны и угол между ними.

Код базового класса:

class shape {
public:
    shape();
    virtual double area() const;
    virtual double perimeter() const;
    ~~~
private:
    coordinates position;
    color outline, fill;
};

Если бы класс shape не содержал виртуальных методов, то память, отведенная под объекты этого типа содержала бы только данные:



В нашем-же примере есть виртуальные методы. Для реализации полиморфизма, компилятор C++ добавляет указатель на таблицу виртуальных функций, которую называют vtbl. Такой указатель называют vptr. Естественно, компилятор C++ создает vtbl и vptr только когда они нужны.

К примеру, класс «shape» содержит два виртуальных метода — area и perimeter. Соответственно, vtbl объектов этого класса содержит два указателя.



Когда происходит наследование, данные наследника добавляются к базовому классу, а vtbl заменяется на таблицу методов, переопределенных наследником:

Для примера, рассмотрим такой вот класс:

class circle: public shape {
public:
    circle(double r);       // constructor
    virtual double area() const;
    virtual double perimeter() const;
    ~~~
private:
    double radius;
};

В памяти объект типа «circle» будет выглядеть вот так:



Как видно, расположение данных базового класса внутри дочернего такое-же, как будто дочернего класса и нет вовсе — это нужно для того, чтобы с наследником можно было обращаться как с базовым классом.

Вот так, никакой магии и довольно все просто под капотом у C++.

Небольшое дополнение: Интересно стало — сколько команд занимает вызвать виртуальный метод. Вот что получилось:


Не так уж и страшно, можно совершенно свободно пользоваться.