C++虚继承的内存模型

http://blog.csdn.net/a627088424/article/details/47999757#comments

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1. #include <iostream>  
2. using namespace std;  
3. class ZooAnimal  
4. {  
5. public:  
6.       virtual void print()  
7.       {  
8.            cout << "run: ZooAnimal::print()" <<endl;  
9.       }  
10.       void run(int whichTable, int whichFunc)  
11.       {  
12.           //whichTable是个偏移量，用来在对象内存中找到vfptr，即找虚函数表  
13.           void (***func)(void)=reinterpret_cast<void (***)(void)>(this);  
14.           (*(func+whichTable))[whichFunc]();//运行哪个表中的哪个函数  
15.       }  
16.       int a;  
17. };  
18.    
19. class Bear: public ZooAnimal  
20. {  
21. public:  
22.       void run(int whichTable, int whichFunc)  
23.       {  
24.            //whichTable是个偏移量，用来在对象内存中找到vfptr，即找虚函数表  
25.            void (***func)(void)=reinterpret_cast<void (***)(void)>(this);  
26.            (*(func+whichTable))[whichFunc]();//运行哪个表中的哪个函数  
27.       }  
28.        
29.       virtual void dis()  
30.       {  
31.            cout << "run: Bear::dis()" <<endl;  
32.       }  
33.       void dis(char)  
34.       {  
35.            cout << "run: Bear::dis(char)" <<endl;  
36.       }  
37.      virtual void dis(int)  
38.       {  
39.            cout << "run: Bear::dis(int)" <<endl;  
40.       }  
41.       int b;  
42. };  
43.    
44.    
45. int main()  
46. {  
47.        
48.       Bear b;  
49.        
50.       ZooAnimal& a=static_cast<ZooAnimal&>(b);  
51.       cout << "ZooAnimal:" <<endl;  
52.       cout << "&a=" << &a <<endl;  
53.       cout << "&a.a=" << &a.a <<endl;  
54.       cout<<endl;  
55.        
56.       a.run(0,0);  
57.       a.run(0,1);  
58.       a.run(0,2);  
59.       cout<<endl;  
60.        
61.       cout << "Bear:" <<endl;  
62.       cout << "&b=" << &b <<endl;  
63.       cout << "&b.a=" << &b.a <<endl;  
64.       cout << "&b.b=" << &b.b <<endl;  
65.       cout<<endl;  
66.        
67.       b.run(0,0);  
68.       b.run(0,1);  
69.       b.run(0,2);  
70.       cout<<endl;  
71.    
72.       cout << "sizeof(ZooAnimal)=" << sizeof(ZooAnimal)  <<endl;  
73.       cout << "sizeof(Bear)=" << sizeof(Bear) << endl;  
74. }  

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1.   

平台Ubantu，g++ 4.8

结果：

ZooAnimal:

&a=0xbf859914

&a.a=0xbf859918

 

run: ZooAnimal::print()

run: Bear::dis()

run: Bear::dis(int)

 

 

Bear:

&b=0xbf859914

&b.a=0xbf859918

&b.b=0xbf85991c

 

run: ZooAnimal::print()

run: Bear::dis()

run: Bear::dis(int)

 

sizeof(ZooAnimal)=8

sizeof(Bear)=12

Bear对象，相对于Animal对象，新增了b变量。没有为Bear的新的虚函数增加新vfptr，而是将Bear的新的虚函数地址，在原来vfptr指向的虚函数表中尾增。

我们接下来让Bear虚继承自ZooAnimal，class Bear: virtual public ZooAnimal

重新编译，运行

ZooAnimal:

&a=0xbfb77688

&a.a=0xbf7768c

 

run: ZooAnimal::print()

段错误(核心已转储)

 

将main函数中a.run(0,1)，a.run(0,2)注释的，编译运行:

ZooAnimal:

&a=0xbfe99ad8

&a.a=0xbfe99adc

 

run: ZooAnimal::print()

 

Bear:

&b=0xbfe99ad0

&b.a=0xbfe99adc

&b.b=0xbfe99ad4

 

run: Bear::dis()

run: Bear::dis(int)

段错误(核心已转储)

将main中的b.run(0,2)注释掉，编译运行：

ZooAnimal:

&a=0xbfe99ad8

&a.a=0xbfe99adc

 

run: ZooAnimal::print()

 

Bear:

&b=0xbfe99ad0

&b.a=0xbfe99adc

&b.b=0xbfe99ad4

 

run: Bear::dis()

run: Bear::dis(int)

 

sizeof(ZooAnimal)=9

sizeof(Bear)=16

通过上面的过程及最终的结果，可以推测出Bear的内存布局:

可见派生类Bear并没有使用基类ZooAnimal的vfptr，而是单独为自己开辟了一个vfptr。通过a，b的位置变化，看出ZooAnimal被放到尾部了。

继续，派生Panda。

 

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1. class Panda: public Bear  
2. {  
3. public:  
4.       void run(int whichTable, int whichFunc)  
5.       {  
6.            //whichTable是个偏移量，用来在对象内存中找到vfptr，即找虚函数表  
7.            void (***func)(void)=reinterpret_cast<void (***)(void)>(this);  
8.            (*(func+whichTable))[whichFunc]();//运行哪个表中的哪个函数  
9.       }  
10.       virtual void test()  
11.       {  
12.            cout << "run: Panda::test()" <<endl;  
13.       }  
14.        
15.       int t;  
16. };  
17.    
18. int main()  
19. {  
20.       Panda b;  
21.                   
22.       ZooAnimal& a=static_cast<ZooAnimal&>(b);  
23.       cout << "ZooAnimal:" <<endl;  
24.       cout << "&a=" << &a <<endl;  
25.       cout << "&a.a=" << &a.a <<endl;  
26.       cout<<endl;  
27.        
28.       a.run(0,0);  
29.       //a.run(0,1);段错误  
30.       //a.run(0,2);段错误  
31.       //a.run(0,3);段错误  
32.       cout<<endl;  
33.        
34.       Bear& c=static_cast<Bear&>(b);  
35.       cout << "Bear:" <<endl;  
36.       cout << "&c=" << &c <<endl;  
37.       cout << "&c.a=" << &c.a <<endl;  
38.       cout << "&c.b=" << &c.b <<endl;  
39.       cout << endl;  
40.        
41.       c.run(0,0);  
42.       c.run(0,1);  
43.       c.run(0,2);  
44.       //c.run(0,3);段错误  
45.    
46.       cout<<endl;  
47.        
48.       cout << "Panda:" <<endl;  
49.       cout << "&b=" << &b <<endl;  
50.       cout << "&b.a=" << &b.a <<endl;  
51.       cout << "&b.b=" << &b.b <<endl;  
52.       cout << "&b.t=" << &b.t <<endl;  
53.       cout<<endl;  
54.        
55.       b.run(0,0);  
56.       b.run(0,1);  
57.       b.run(0,2);  
58.       //b.run(0,3);段错误  
59.       cout <<endl;  
60.        
61.    
62.       cout << "sizeof(ZooAnimal)=" << sizeof(ZooAnimal)  <<endl;  
63.       cout << "sizeof(Bear)=" << sizeof(Bear) << endl;  
64.       cout << "sizeof(Panda)=" << sizeof(Panda) << endl;  
65. }  

结果:

根据结果推测内存模型

虚继承的祖父类仍被放到尾部，并具有自己的独立的vfptr。而孙子类Panda非虚继承父类Bear，采取的方法也仍是只有一个vfptr，并将自己新的虚函数的地址尾加到表中。

继续，将其扩展成封闭的菱形继承：

添加了Raccon类，该类不包含虚函数，有一个成员变量int r。

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1. class Raccon:virtual public ZooAnimal{   
2. public:  
3.       void run(int whichTable, int whichFunc)  
4.       {  
5.            //whichTable是个偏移量，用来在对象内存中找到vfptr，即找虚函数表  
6.            void (***func)(void)=reinterpret_cast<void (***)(void)>(this);  
7.            (*(func+whichTable))[whichFunc]();//运行哪个表中的哪个函数  
8.       }  
9.       int r;  
10. };  

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1. int main()  
2. {  
3.       Panda b;  
4.                   
5.       ZooAnimal& a=static_cast<ZooAnimal&>(b);  
6.       cout << "ZooAnimal:" <<endl;  
7.       cout << "&a=" << &a <<endl;  
8.       cout << "&a.a=" << &a.a <<endl;  
9.       cout<<endl;  
10.        
11.       a.run(0,0);  
12.       //a.run(0,1);//段错误  
13.       //a.run(0,2);//段错误  
14.       //a.run(0,3);//段错误  
15.       cout<<endl;  
16.        
17.       Bear& c=static_cast<Bear&>(b);  
18.       cout << "Bear:" <<endl;  
19.       cout << "&c=" << &c <<endl;  
20.       cout << "&c.a=" << &c.a <<endl;  
21.       cout << "&c.b=" << &c.b <<endl;  
22.       cout << endl;  
23.        
24.       c.run(0,0);  
25.       c.run(0,1);  
26.       c.run(0,2);  
27.       //c.run(0,3);//段错误  
28.    
29.       cout<<endl;  
30.        
31.       Raccon& d=static_cast<Raccon&>(b);  
32.       cout << "Raccon:" <<endl;  
33.       cout << "&d=" << &d <<endl;  
34.       cout << "&d.a=" << &d.a <<endl;  
35.       cout << "&d.r=" << &d.r <<endl;  
36.       cout << endl;  
37.        
38.       //d.run(0,0);段错误  
39.       //d.run(0,1);段错误  
40.       //d.run(0,2);段错误  
41.       //c.run(0,3);段错误  
42.    
43.       cout<<endl;  
44.        
45.       cout << "Panda:" <<endl;  
46.       cout << "&b=" << &b <<endl;  
47.       cout << "&b.a=" << &b.a <<endl;  
48.       cout << "&b.b=" << &b.b <<endl;  
49.       cout << "&b.r=" << &b.r <<endl;  
50.       cout << "&b.t=" << &b.t <<endl;  
51.       cout<<endl;  
52.        
53.       b.run(0,0);  
54.       b.run(0,1);  
55.       b.run(0,2);  
56.       //b.run(0,3);//段错误  
57.       cout <<endl;  
58.        
59.    
60.       cout << "sizeof(ZooAnimal)=" << sizeof(ZooAnimal)  <<endl;  
61.       cout << "sizeof(Bear)=" << sizeof(Bear) << endl;  
62.       cout << "sizeof(Raccon)=" << sizeof(Raccon) << endl;  
63.       cout << "sizeof(Panda)=" << sizeof(Panda) << endl;  
64. }  

 

Panda从直接基类Bear和Racoon分别继承了vfptr，并将自己的新的虚函数指针，尾加到了第一个直接基类Bear的vftable中。而虚继承而来的祖类ZooAnimal仍就整体放到了Panda尾部。特别注意下vfptr$Raccon。笔者实践的时候，填加了函数用于访问虚函数表中的函数指针的值，虚函数表尾部确实都为0，应该是用于标识虚函数表结束。如果对祖类ZooAnimal的继承不是虚继承，Panda的内存布局，根据上述的原则，而是很好推断的，以前从ZooAnimal虚继承而来的类，都是要自己单独再分配自己的vfptr，现在可以自己重用基类的了，则Bear将减少一个指针的内存大小，即sizeof(Bear)=12，同理sizeof(Raccon)=12，而Panda虽然不用单独分配自己的vfptr，但是由于不是虚继承，对于ZooAnimal的成员变量int a，将有两份拷贝，而已sizeof(Panda)仍是28.

      在网上搜了下资料后自己有时间代码实践验证下。对比网上其他的，对于虚继承跟别人得到的结果又出入。其他人的结果大都虚继承后有vbptr，即虚基类偏移量指针。比如这篇文章：点击打开链接

笔者，将其代码写入自己的平台验证，最后孙子类的大小是28而不是文章说的36。他的孙子类出现了两个vbptr。他使用的是vs2010.

      编译器实现有关？

      将代码拷贝到vs2012中运行，其使用的是微软自家的cl编译器。

      由于运行的时候run函数中的func函数指针为void  (***)(void)，在通过其运行Bear的virtual  void dis(int)时，编译器出错，栈出了问题，问了方便分析，直接将该函数注释掉。根据最后的输出结果，分析得到如下内存分布：

     

sizeof(ZooAnimal)=8;

sizeof(Bear)=20;

sizeof(Raccon)=16;

sizeof(Panda)=32;

特别注意，没有为Raccon生成vfptr。虚基类偏移表中，第一项应该是具有一定的标识意义，猜测可能是vbptr相对于对象头部的偏移量，而第二项保存的是虚基类相对于vbptr的偏移量。Raccon类中并没有虚函数，尽管他虚继承的ZooAnimal中有虚函数，并没有为Raccon生成用于保存虚函数的vfptr。我试着给Raccon添加了一个虚函数virtual void  vs2012test()，结果编译器为Rccon分配了vfptr，并且vbptr$Rccon偏移表第一个变为-4

sizeof(ZooAnimal)=8;

sizeof(Bear)=20;

sizeof(Raccon)=20;

sizeof(Panda)=36;

 

 

虚继承的内存布局与编译器相关！！

g++原则更为简单，将虚基类内存(包括vfptr)尾加到派生类。如果虚基类有虚函数，派生类一定会有自己的vfptr，如果派生类没有虚函数，该vfptr指向空。

cl虚继承时，同样将虚基类内存(包括vfptr)尾加到派生类，并且派生类将产生vbptr，其中存放了虚基类对象在派生类对象中的偏移量。派生类对象中有无vfptr与虚基类无关，仅当派生类有虚函数时，才会为其分配vfptr。

 

编译器是如何实现对虚基类的访问？这里暂时不继续挖了，越挖越深，洗洗睡了~

[cpp] view plain copy

1. void run(int whichTable, int whichFunc)  
2. {  
3.      //whichTable是个偏移量，用来在对象内存中找到vfptr，即找虚函数表  
4.      void (***func)(void)=reinterpret_cast<void (***)(void)>(this);  
5.      (*(func+whichTable))[whichFunc]();//运行哪个表中的哪个函数  
6. }