C++ 对象的内存布局（下）

C++ 对象的内存布局(下)

（文章转载于陈皓博客  http://blog.csdn.net/haoel/article/details/3081385）

重复继承

下面我们再来看看，发生重复继承的情况。所谓重复继承，也就是某个基类被间接地重复继承了多次。

下图是一个继承图，我们重载了父类的f()函数。

 

其类继承的源代码如下所示。其中，每个类都有两个变量，一个是整形（4字节），一个是字符（1字节），而且还有自己的虚函数，自己overwrite父类的虚函数。如子类D中，f()覆盖了超类的函数， f1() 和f2() 覆盖了其父类的虚函数，Df()为自己的虚函数。

class B{    public:        int ib;        char cb;    public:        B():ib(0),cb('B') {}         virtual void f() { cout << "B::f()" << endl;}        virtual void Bf() { cout << "B::Bf()" << endl;}};class B1 :  public B{    public:        int ib1;        char cb1;    public:        B1():ib1(11),cb1('1') {}         virtual void f() { cout << "B1::f()" << endl;}        virtual void f1() { cout << "B1::f1()" << endl;}        virtual void Bf1() { cout << "B1::Bf1()" << endl;} };class B2:  public B{    public:        int ib2;        char cb2;    public:        B2():ib2(12),cb2('2') {}         virtual void f() { cout << "B2::f()" << endl;}        virtual void f2() { cout << "B2::f2()" << endl;}        virtual void Bf2() { cout << "B2::Bf2()" << endl;}       }; class D : public B1, public B2{    public:        int id;        char cd;    public:        D():id(100),cd('D') {}         virtual void f() { cout << "D::f()" << endl;}        virtual void f1() { cout << "D::f1()" << endl;}        virtual void f2() { cout << "D::f2()" << endl;}        virtual void Df() { cout << "D::Df()" << endl;}};

我们用来存取子类内存布局的代码如下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）

    typedef void(*Fun)(void);    int** pVtab = NULL;    Fun pFun = NULL;     D d;    pVtab = (int**)&d;    cout << "[0] D::B1::_vptr->" << endl;    pFun = (Fun)pVtab[0][0];    cout << "     [0] ";    pFun();    pFun = (Fun)pVtab[0][1];    cout << "     [1] ";    pFun();    pFun = (Fun)pVtab[0][2];    cout << "     [2] ";    pFun();    pFun = (Fun)pVtab[0][3];    cout << "     [3] ";    pFun();    pFun = (Fun)pVtab[0][4];    cout << "     [4] ";    pFun();    pFun = (Fun)pVtab[0][5];    cout << "     [5] 0x" << pFun << endl;       cout << "[1] B::ib = " << (int)pVtab[1] << endl;    cout << "[2] B::cb = " << (char)pVtab[2] << endl;    cout << "[3] B1::ib1 = " << (int)pVtab[3] << endl;    cout << "[4] B1::cb1 = " << (char)pVtab[4] << endl;     cout << "[5] D::B2::_vptr->" << endl;    pFun = (Fun)pVtab[5][0];    cout << "     [0] ";    pFun();    pFun = (Fun)pVtab[5][1];    cout << "     [1] ";    pFun();    pFun = (Fun)pVtab[5][2];    cout << "     [2] ";    pFun();    pFun = (Fun)pVtab[5][3];    cout << "     [3] ";    pFun();    pFun = (Fun)pVtab[5][4];    cout << "     [4] 0x" << pFun << endl;     cout << "[6] B::ib = " << (int)pVtab[6] << endl;    cout << "[7] B::cb = " << (char)pVtab[7] << endl;       cout << "[8] B2::ib2 = " << (int)pVtab[8] << endl;    cout << "[9] B2::cb2 = " << (char)pVtab[9] << endl;     cout << "[10] D::id = " << (int)pVtab[10] << endl;    cout << "[11] D::cd = " << (char)pVtab[11] << endl;

程序运行结果如下：

下面是对于子类实例中的虚函数表的图： 

 

我们可以看见，最顶端的父类B其成员变量存在于B1和B2中，并被D给继承下去了。而在D中，其有B1和B2的实例，于是B的成员在D的实例中存在两份，一份是B1继承而来的，另一份是B2继承而来的。所以，如果我们使用以下语句，则会产生二义性编译错误：

D d;d.ib = 0;               //二义性错误d.B1::ib = 1;           //正确d.B2::ib = 2;           //正确

注意，上面例程中的最后两条语句存取的是两个变量。虽然我们消除了二义性的编译错误，但B类在D中还是有两个实例，这种继承造成了数据的重复，我们叫这种继承为重复继承。重复的基类数据成员可能并不是我们想要的。所以，C++引入了虚基类的概念。

钻石型多重虚拟继承

虚拟继承的出现就是为了解决重复继承中多个间接父类的问题的。钻石型的结构是其最经典的结构。也是我们在这里要讨论的结构：

上述的“重复继承”只需要把B1和B2继承B的语法中加上virtual 关键，就成了虚拟继承，其继承图如下所示：

 

上图和前面的“重复继承”中的类的内部数据和接口都是完全一样的，只是我们采用了虚拟继承：其省略后的源码如下所示：

class B {……};class B1 : virtual public B{……};class B2: virtual public B{……};class D : public B1, public B2{ …… };

在查看D之前，我们先看一看单一虚拟继承的情况。下面是一段在VC++2003下的测试程序：（因为VC++和GCC的内存而局上有一些细节上的不同，所以这里只给出VC++的程序，GCC下的程序大家可以根据我给出的程序自己仿照着写一个去试一试）：

    int** pVtab = NULL;    Fun pFun = NULL;     B1 bb1;     pVtab = (int**)&bb1;    cout << "[0] B1::_vptr->" << endl;    pFun = (Fun)pVtab[0][0];    cout << "     [0] ";    pFun(); //B1::f1();    cout << "     [1] ";    pFun = (Fun)pVtab[0][1];    pFun(); //B1::bf1();    cout << "     [2] ";    cout << pVtab[0][2] << endl;     cout << "[1] = 0x";    cout << (int*)*((int*)(&bb1)+1) <<endl; //B1::ib1    cout << "[2] B1::ib1 = ";    cout << (int)*((int*)(&bb1)+2) <<endl; //B1::ib1    cout << "[3] B1::cb1 = ";    cout << (char)*((int*)(&bb1)+3) << endl; //B1::cb1     cout << "[4] = 0x";    cout << (int*)*((int*)(&bb1)+4) << endl; //NULL     cout << "[5] B::_vptr->" << endl;    pFun = (Fun)pVtab[5][0];    cout << "     [0] ";    pFun(); //B1::f();    pFun = (Fun)pVtab[5][1];    cout << "     [1] ";    pFun(); //B::Bf();    cout << "     [2] ";    cout << "0x" << (Fun)pVtab[5][2] << endl;     cout << "[6] B::ib = ";    cout << (int)*((int*)(&bb1)+6) <<endl; //B::ib    cout << "[7] B::cb = ";

其运行结果如下（我结出了GCC的和VC++2003的对比）：

 这里，大家可以自己对比一下。关于细节上，我会在后面一并再说。

下面的测试程序是看子类D的内存布局，同样是VC++ 2003的（因为VC++和GCC的内存布局上有一些细节上的不同，而VC++的相对要清楚很多，所以这里只给出VC++的程序，GCC下的程序大家可以根据我给出的程序自己仿照着写一个去试一试）：

    D d;     pVtab = (int**)&d;    cout << "[0] D::B1::_vptr->" << endl;    pFun = (Fun)pVtab[0][0];    cout << "     [0] ";    pFun(); //D::f1();    pFun = (Fun)pVtab[0][1];    cout << "     [1] ";    pFun(); //B1::Bf1();    pFun = (Fun)pVtab[0][2];    cout << "     [2] ";    pFun(); //D::Df();    pFun = (Fun)pVtab[0][3];    cout << "     [3] ";    cout << pFun << endl;     //cout << pVtab[4][2] << endl;    cout << "[1] = 0x";    cout <<  (int*)((&dd)+1) <<endl; //????     cout << "[2] B1::ib1 = ";    cout << *((int*)(&dd)+2) <<endl; //B1::ib1    cout << "[3] B1::cb1 = ";    cout << (char)*((int*)(&dd)+3) << endl; //B1::cb1     //---------------------    cout << "[4] D::B2::_vptr->" << endl;    pFun = (Fun)pVtab[4][0];    cout << "     [0] ";    pFun(); //D::f2();    pFun = (Fun)pVtab[4][1];    cout << "     [1] ";    pFun(); //B2::Bf2();    pFun = (Fun)pVtab[4][2];    cout << "     [2] ";    cout << pFun << endl;       cout << "[5] = 0x";    cout << *((int*)(&dd)+5) << endl; // ???     cout << "[6] B2::ib2 = ";    cout << (int)*((int*)(&dd)+6) <<endl; //B2::ib2    cout << "[7] B2::cb2 = ";    cout << (char)*((int*)(&dd)+7) << endl; //B2::cb2     cout << "[8] D::id = ";    cout << *((int*)(&dd)+8) << endl; //D::id    cout << "[9] D::cd = ";    cout << (char)*((int*)(&dd)+9) << endl;//D::cd     cout << "[10]  = 0x";    cout << (int*)*((int*)(&dd)+10) << endl;    //---------------------    cout << "[11] D::B::_vptr->" << endl;    pFun = (Fun)pVtab[11][0];    cout << "     [0] ";    pFun(); //D::f();    pFun = (Fun)pVtab[11][1];    cout << "     [1] ";    pFun(); //B::Bf();    pFun = (Fun)pVtab[11][2];    cout << "     [2] ";    cout << pFun << endl;     cout << "[12] B::ib = ";    cout << *((int*)(&dd)+12) << endl; //B::ib    cout << "[13] B::cb = ";    cout << (char)*((int*)(&dd)+13) <<endl;//B::cb

下面给出运行后的结果（分VC++和GCC两部份）

在上面的输出结果中，我用不同的颜色做了一些标明。我们可以看到如下的几点：关于虚拟继承的运行结果我就不画图了（前面的作图已经让我产生了很严重的厌倦感，所以就偷个懒了，大家见谅了）

• 1）无论是GCC还是VC++，除了一些细节上的不同，其大体上的对象布局是一样的。也就是说，先是B1（黄色），然后是B2（绿色），接着是D（灰色），而B这个超类（青蓝色）的实例都放在最后的位置。
• 2）关于虚函数表，尤其是第一个虚表，GCC和VC++有很重大的不一样。但仔细看下来，还是VC++的虚表比较清晰和有逻辑性。
• 3）VC++和GCC都把B这个超类放到了最后，而VC++有一个NULL分隔符把B和B1和B2的布局分开。GCC则没有。
• 4）VC++中的内存布局有两个地址我有些不是很明白，在其中我用红色标出了。取其内容是-4。接道理来说，这个指针应该是指向B类实例的内存地址（这个做法就是为了保证重复的父类只有一个实例的技术）。但取值后却不是。这点我目前还并不太清楚，还向大家请教。
• 5）GCC的内存布局中在B1和B2中则没有指向B的指针。这点可以理解，编译器可以通过计算B1和B2的size而得出B的偏移量。

结束语

C++这门语言是一门比较复杂的语言，对于程序员来说，我们似乎永远摸不清楚这门语言背着我们在干了什么。需要熟悉这门语言，我们就必需要了解C++里面的那些东西，需要我们去了解他后面的内存对象。这样我们才能真正的了解C++，从而能够更好的使用C++这门最难的编程语言。