c++内存分布(二)--虚函数和虚继承
来源:互联网 发布:淘宝2016双十一 交易额 编辑:程序博客网 时间:2024/05/17 08:11
一.多重继承
首先我们先来考虑一个很简单(non-virtual)的多重继承。看看下面这个C++类层次结构。
1 class Top
2 {
3 public:
4 int a;
5 };
6
7 class Left : public Top
8 {
9 public:
10 int b;
11 };
12
13 class Right : public Top
14 {
15 public:
16 int c;
17 };
18
19 class Bottom : public Left, public Right
20 {
21 public:
22 int d;
23 };
24
用UML表述如下:
注意到Top类实际上被继承了两次,(这种机制在Eiffel中被称作repeated inheritance),这就意味着在一个bottom对象中实际上有两个a属性(attributes,可以通过bottom.Left::a和 bottom.Right::a访问) 。
那么Left、Right、Bottom在内存中如何分布的呢?我们先来看看简单的Left和Right内存分布:
[Right 类的布局和Left是一样的,因此我这里就没再画图了。刺猬]
注意到上面类各自的第一个属性都是继承自Top类,这就意味着下面两个赋值语句:
1 Left* left = new Left();
2 Top* top = left;
left和top实际上是指向两个相同的地址,我们可以把Left对象当作一个Top对象(同样也可以把Right对象当Top对象来使用)。但是Botom对象呢?GCC是这样处理的:
但是现在如果我们upcast 一个Bottom指针将会有什么结果?
1 Bottom* bottom = new Bottom();
2 Left* left = bottom;
这段代码运行正确。这是因为GCC选择的这种内存布局使得我们可以把Bottom对象当作Left对象,它们两者(Left部分)正好相同。但是,如果我们把Bottom对象指针upcast到Right对象呢?
1 Right* right = bottom;
如果我们要使这段代码正常工作的话,我们需要调整指针指向Bottom中相应的部分。
通过调整,我们可以用right指针访问Bottom对象,这时Bottom对象表现得就如Right对象。但是bottom和right指针指向了不同的内存地址。最后,我们考虑下:
1 Top* top = bottom;
恩,什么结果也没有,这条语句实际上是有歧义(ambiguous)的,编译器会报错: error: `Top' is an ambiguous base of `Bottom'。其实这两种带有歧义的可能性可以用如下语句加以区分:
1 Top* topL = (Left*) bottom;
2 Top* topR = (Right*) bottom;
这两个赋值语句执行之后,topL和left指针将指向同一个地址,同样topR和right也将指向同一个地址。
二.虚拟继承
为了避免上述Top类的多次继承,我们必须虚拟继承类Top。
1 class Top
2 {
3 public:
4 int a;
5 };
6
7 class Left : virtual public Top
8 {
9 public:
10 int b;
11 };
12
13 class Right : virtual public Top
14 {
15 public:
16 int c;
17 };
18
19 class Bottom : public Left, public Right
20 {
21 public:
22 int d;
23 };
24
上述代码将产生如下的类层次图(其实这可能正好是你最开始想要的继承方式)。
这里我们先看看实际上内存是怎么分布的,然后再解释下为什么这么设计。
上图有两点值得大家注意。第一点就是类中成员分布顺序是完全不一样的(实际上可以说是正好相反)。第二点,类中增加了vptr指针(虚类指针),这些是被编译器在编译过程中插入到类中的(在设计类时如果使用了虚继承,虚函数都会产生相关vptr(虚表指针))。同时,在类的构造函数中会对相关指针做初始化,这些也是编译器完成的工作。Vptr指针指向了一个“virtual table”。在类中每个虚基类都会存在与之对应的一个vptr指针。为了给大家展示virtual table作用,考虑下如下代码。
1 Bottom* bottom = new Bottom();
2 Left* left = bottom;
3 int p = left->a;
第二条的赋值语句让left指针指向和bottom同样的起始地址(即它指向Bottom对象的“顶部”)。我们来考虑下第三条的赋值语句。
1 movl left, %eax # %eax = left
2 movl (%eax), %eax # %eax = left.vptr.Left
3 movl (%eax), %eax # %eax = virtual base offset
4 addl left, %eax # %eax = left + virtual base offset
5 movl (%eax), %eax # %eax = left.a
6 movl %eax, p # p = left.a
总结下,我们用left指针去索引(找到)virtual table,然后在virtual table中获取到虚基类的偏移(virtual base offset, vbase),然后在left指针上加上这个偏移量,这样我们就获取到了Bottom类中Top类的开始地址。从上图中,我们可以看到对于Left指针,它的virtual base offset是20,如果我们假设Bottom中每个成员都是4字节大小,那么Left指针加上20字节正好是成员a的地址。
我们同样可以用相同的方式访问Bottom中Right部分。
1 Bottom* bottom = new Bottom();
2 Right* right = bottom;
3 int p = right->a;
right指针就会指向在Bottom对象中相应的位置。
这里对于p的赋值语句最终会被编译成和上述left相同的方式访问a。唯一的不同是就是vptr,我们访问的vptr现在指向了virtual table另一个地址,我们得到的virtual base offset也变为12。我们画图总结下:
当然,关键点在于我们希望能够让访问一个真正单独的Right对象也如同访问一个经过upcasted(到Right对象)的Bottom对象一样。这里我们也在Right对象中引入vptrs。
OK,现在这样的设计终于让我们可以通过一个Right指针访问Bottom对象了。不过,需要提醒的是以上设计需要承担一个相当大的代价:我们需要引入虚函数表,对象底层也必须扩展以支持一个或多个虚函数指针,原来一个简单的成员访问现在需要通过虚函数表两次间接寻址(编译器优化可以在一定程度上减轻性能损失)。
三.实验
#include <string>
//#include <iostream.h>
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <memory.h>
using namespace std;
class A
{
char k[3];
public:
virtual void aa(){};
};
class B:public virtual A
{
char j[3];
public:
virtual void bb(){};
};
class C:public virtual B
{
char i[3];
public:
virtual void cc(){};
};
int main()
{
cout<<sizeof(A)<<endl;
cout<<sizeof(B)<<endl;
cout<<sizeof(C)<<endl;
return 0;
}
结果:8 20 32
分析:
1.在虚继承时,子类虚函数不是直接加在父类虚函数表下面,而是自己生成虚函数表,也就是不同类生成自己的虚函数表,而不是叠加在父类后面。
2.虚继承内存情况:
虚类指针—子类虚表指针—子类成员变量—父类虚表指针—父类成员变量
总结:
1. 虚继承和非虚继承的区别:
(1)非虚继承:子类虚函数加在父类虚函数的下面,总共是需要一个虚表指针。
虚继承:子类虚函数不能加在父类虚函数下面,不同类的虚函数自己建立虚函数表,子类父类都有自己的虚函数表,有两个虚表指针。
(2)非虚继承:成员变量是按显示父类,后是子类的顺序存储的。
虚继承:非虚继承把父类和子类的成员变量放在一起,父类和子类的虚函数放在一起这样存储的。
虚继承是按类存储的,先是子类,后是父类,父类放在最后面。
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