通过 Clang 查看 C++ 内存布局

发布时间：

如果你喜欢阅读 C++ 标准，可以跑到 Draft C++ Standard 网站上查看最新的 C++ 标准草案。 C++ 标准中关于内存模型和对象模型的描述主要在 [basic.memobj] 一节。这里面有很多细节，比如生命周期、对象模型、对象布局等等。但大部分时候学习者的需求很简单，我想实打实地看到编译器是如何处理我的代码的。我不希望跑到运行期去通过调试器查看内存布局（我以前就是这么干的 XD），我希望在编译期就能看到这些信息。我该怎么办呢？

我提供一种实践的思路：使用 Clang 的 -Xclang -fdump-record-layouts 选项。

GCC 当然也有类似的选项，只是处理起来比这种直接在网页上查看的方式要麻烦一些。

你可以跑到 Compiler Explorer 网站上选择 x86-64 Clang 作为编译器，自己实现一份代码，通常为了学习 C++ 内存布局，我们会设计基类、派生类、虚函数等等，例如：

cpp

class Base {
public:
    int baseVar;

    virtual void foo() {}
    virtual void bar() {}
};

class Derived : public Base {
public:
    int derivedVar;

    void foo() override {}
    void bar() override {}
};

int main() {
    Derived d;
    d.baseVar = 10;
    d.derivedVar = 20;
    d.foo();
    d.bar();
    return 0;
}

你会在输出栏看到相应的内存布局记录，这样就可以自己验证了：

shell

*** Dumping AST Record Layout
         0 | class Base
         0 |   (Base vtable pointer)
         8 |   int baseVar
           | [sizeof=16, dsize=12, align=8,
           |  nvsize=12, nvalign=8]

*** Dumping AST Record Layout
         0 | class Derived
         0 |   class Base (primary base)
         0 |     (Base vtable pointer)
         8 |     int baseVar
        12 |   int derivedVar
           | [sizeof=16, dsize=16, align=8,
           |  nvsize=16, nvalign=8]

除此以外，Clang 也会将中间代码生成（IRgen）的结果输出。

下面的回答来自 GitHub Copilot Chat:

这个输出是 C++ 编译器在处理类的内存布局时的详细信息。这是一个很好的工具，可以帮助你理解 C++ 如何在内存中布局类的实例。以下是对这个输出的详细解释：

0 | class Base 和 0 | class Derived：这两行表示 Base 类和 Derived 类的内存布局开始于偏移量 0.
(Base vtable pointer)：这是虚函数表（vtable）的指针。当一个类有虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表，并在每个类的实例中添加一个指向该表的指针。这个指针在内存布局中的位置通常是在开始处，偏移量为 0.
8 | int baseVar 和 12 | int derivedVar：这两行表示 baseVar 和 derivedVar 成员变量的内存布局。数字 8 和 12 是这些变量在类的内存布局中的偏移量。这些偏移量是相对于类的开始位置的。
[sizeof=16, dsize=12, align=8, nvsize=12, nvalign=8] 和 [sizeof=16, dsize=16, align=8, nvsize=16, nvalign=8]：这些是类的一些属性。sizeof 是类的总大小，dsize 是类的数据成员的大小，align 是类的对齐要求，nvsize 是类的非虚部分的大小，nvalign 是类的非虚拟部分的对齐要求。
0 | class Base (primary base)：这一行表示 Derived 类继承自 Base 类，Base 类的内存布局在 Derived 类的内存布局中开始于偏移量 0. 这意味着 Derived 类的实例在内存中的布局首先包含 Base 类的实例的布局。