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面向对象编程基础：类的实例化与对象内存模型详解

news 2025/8/6 9:04:11

一、类的实例化详解

1、什么是类的实例化？

2、关键概念

类如同模型或蓝图

实例化创建实际对象

现实类比

2、代码示例

示例说明

3、重要结论（重要！！！）

二、类对象模型与内存布局详解

1、类对象的内存结构（重要！！！）

成员变量存储

成员函数存储

存储效率考量

2、类对象存储模型图示

3、类大小计算规则

基本规则

特殊类大小说明

4、验证示例

类Person的对象内存布局：

5、结构体内存对齐规则详解

基本规则

VS编译器默认值

嵌套结构体规则

对齐示例

6、重要结论

一、类的实例化详解

1、什么是类的实例化？

类实例化是指用类类型在物理内存中创建对象的过程
类是对对象的一种抽象描述，是一种模型或蓝图
类限定了成员变量和成员函数，但这些只是声明，不会分配实际内存空间

2、关键概念

类如同模型或蓝图

类定义仅规定了类包含哪些成员（属性和方法）
定义类时并不会分配实际的内存空间
类似于C语言中定义结构体类型但不创建变量

实例化创建实际对象

一个类可以实例化出多个对象，每个对象都是独立的实体，互不干扰
只有在实例化对象时，系统才会为成员变量分配实际的物理内存空间
每个对象占用独立的物理内存空间存储其成员变量
类似于用结构体类型创建变量时分配实际内存

现实类比

类实例化对象就像使用建筑设计图建造房子：

类相当于设计图：规划了房间数量、大小和功能，图纸本身（类）没有实体存在
实例化就是根据图纸建造实际的房子
对象相当于实际建造的房子，只有建造出的房子（对象）才占用物理空间：可以实际使用和居住
设计图（类）本身不能住人，只有建好的房子（对象）才能住人

2、代码示例

#include<iostream>
using namespace std;class Date {
public:// 初始化日期void Init(int year, int month, int day) {_year = year;_month = month;_day = day;}// 打印日期void Print() {cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;}private:// 这里只是声明成员变量，没有实际分配空间int _year;int _month;int _day;
};int main() {// Date类实例化出对象d1和d2Date d1;  // 第一个Date对象Date d2;  // 第二个Date对象// 初始化并打印d1d1.Init(2024, 3, 31);d1.Print();// 初始化并打印d2d2.Init(2024, 7, 5);d2.Print();return 0;
}

示例说明

类定义阶段：
- Date类定义了三个私有成员变量（_year, _month, _day）
- 此时只是声明，没有分配内存空间
实例化阶段：
- Date d1和Date d2语句实际创建了两个Date对象
- 此时系统为每个对象分配独立的内存空间来存储其成员变量
对象使用：
- 每个对象可以独立调用成员函数（Init()和Print()）
- 对象之间的数据互不干扰（d1和d2存储不同的日期值）

3、重要结论（重要！！！）

类定义只是描述了对象的结构和行为
只有实例化后才会为对象分配内存，才能实际使用类的功能
每个对象都有自己独立的成员变量存储空间，每个对象都有自己独立的状态（成员变量值）
类的方法（成员函数）被所有对象共享，不占用对象的内存空间
类是抽象的模板，对象是具体的实例

理解类的实例化是面向对象编程的基础，它体现了"抽象"与"具体"的关系。

二、类对象模型与内存布局详解

1、类对象的内存结构（重要！！！）

类对象在内存中的存储方式遵循以下原则：

成员变量存储

每个对象独立存储自己的成员变量
不同对象的成员变量值互不影响
成员变量按照结构体内存对齐规则排列

成员函数存储

所有对象共享同一份成员函数代码
成员函数存储在公共代码区，不占用对象的内存空间
成员函数编译后成为指令代码，存储在代码段（公共代码区）
对象中不存储成员函数指针（避免重复存储浪费空间）
函数调用地址在编译链接时确定，运行时直接通过固定地址调用

存储效率考量

若存储函数指针，100个对象将重复存储100次相同指针
实际只需在代码段保存一份函数实现，所有对象共享

2、类对象存储模型图示

3、类大小计算规则

基本规则

类大小等于其所有非静态成员变量大小之和（考虑内存对齐）
静态成员变量不占用类对象空间（存储在全局区）
成员函数不占用类对象空间

特殊类大小说明

空类大小：
- 大小为1字节（编译器分配的占位标识，确保对象有唯一地址）
- 示例：class C{}; → 1字节
仅有成员函数的类：
- 大小同样为1字节
- 示例：class B{void Print(){}}; → 1字节
含成员变量的类：
- 大小为成员变量总和（考虑对齐）
- 示例：class A{char _ch; int _i;}; → 8字节（1+3填充+4）

4、验证示例

#include <iostream>
using namespace std;class Person
{
public:void ShowInfo(){cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;}public:char *_name; // 姓名 (指针类型，通常4/8字节)char *_sex;  // 性别 (指针类型，通常4/8字节)int _age;    // 年龄 (通常4字节)
};// 测试类
class A1
{
public:void f1() {}private:int _a;
};
class A2
{
public:void f2() {}
};
class A3
{
};int main()
{cout << "Person size: " << sizeof(Person) << endl; // 通常12/24字节(取决于指针大小)cout << "A1 size: " << sizeof(A1) << endl;         // 4 (int)cout << "A2 size: " << sizeof(A2) << endl;         // 1 (只有成员函数)cout << "A3 size: " << sizeof(A3) << endl;         // 1 (空类)return 0;
}

类Person的对象内存布局：

5、结构体内存对齐规则详解

基本规则

第一个成员变量位于偏移量0处
后续成员对齐到min(成员大小, 编译器默认对齐数)的整数倍地址
结构体总大小为最大对齐数的整数倍

VS编译器默认值

默认对齐数为8字节
实际对齐数取成员大小和默认对齐数的较小值

嵌套结构体规则

嵌套结构体对齐到其自身最大对齐数的整数倍处
整体大小是所有最大对齐数（含嵌套结构体）的整数倍

对齐示例

struct Example {char a;     // 1字节，偏移0// 3字节填充（因为int要对齐到4）int b;      // 4字节，偏移4short c;    // 2字节，偏移8// 2字节填充（总大小需为4的整数倍）
};              // 总大小：12字节