C++虚拟继承中对象内存的分布

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(Top类成为虚基类，当在多条继承路径上有一个公共的基类,在这些路径中的某几条汇合处,这个公共的基类就会产生多个实例(或多个副本),若只想保存这个基类的一个实例,可以将这个公共基类说明为虚基类

虚基类的主要作用:  虚基类主要解决多重继承时，基类被多次进程的问题 )。

参考博客 多重继承_内存的分布:: http://blog.163.com/xychenbaihu@yeah/blog/static/132229655201242703331596/

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):

      

 

 

对于程序员来说，这种类层次图显得更加简单和清晰，不过对于一个编译器来说，这就复杂得多了。

 

我们再用Bottom的内存布局作为例子考虑，它可能是这样的:

      

按照下面的分析，实际应该是:

这种内存布局的优势在于它的开头部分(Left部分)和Left的布局正好相同，我们可以很轻易地通过一个Left指针访问一个Bottom对象。但这并不是我们讨论的重点，我们主要来考虑考虑Right：

1 Right* right = bottom;

这里我们应该把什么地址赋值给right指针呢？

        理论上说，通过这个赋值语句，我们可以把这个right指针当作真正指向一个Right对象的指针(现在指向的是Bottom)来使用。但实际上这是不现实的！一个真正的Right对象内存布局和Bottom对象Right部分是完全不同的，所以其实我们不可能再把这个upcasted的bottom对象当作一个真正的right对象来使用了。而且，我们这种布局的设计不可能还有改进的余地了。

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，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)。

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。

其中的  offset  to  top: int = 0和 offset to top:int = 8 分别指Left::vptr和Right::vptr在Bottom对象中，到对象起始地址的偏移量。

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（下面的图比较清晰的表明了问题）。

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。下面是它汇编结果:

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（该图非常清晰的表明了虚继承时，类对象的内存分布，vptr.Left和vptr.Right这两个虚表指针中存放的v-tab的地址，虚表中存放的是成员函数的地址，虚基类成员变量的在对象中的偏移量）。

          

    (图 1 - 1  最为清楚的表示了虚继承类对象的内存分布，引入了虚函数表)

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。

       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)。

 

测试代码:

  
#include <stdio.h>
class Top{   public:     int a;};
class Left:virtual public Top{  public:    int la;};
class Right:virtual public Top{  public:    int ra;};
class Bottom:public Left,public Right{  public:    int lra;};
int main(){ //引入了vptr，虚函数表指针，所以是12个字节 printf("sizeof(Left)=%d\n",sizeof(Left));         
 //由于引入了Left的vptr,Right的vptr,所以是24个字节 printf("sizeof(Bottom=%d)\n",sizeof(Bottom));
 
 Bottom obj; obj.a = 10; obj.la = 20; obj.ra = 30; obj.lra = 40; //由于Top只被继承了一次(而之前的多重继承却继承了多次) printf("obj.a=%d\tobj.la=%d\tobj.ra=%d\tobj.lra=%d\n",   obj.a,obj.la,obj.ra,obj.lra);
 
 Left *left = &obj; Right *right = &obj; //left的指针和&obj的相同，而right和&obj是不同的 printf("left=%p\tright=%p\t&obj=%p\n",left,right,&obj);  //由于虚函数表指针的存在，不再需要类名来区分，a只有一个 printf("left->a=%d,right->a=%d\n",left->a,right->a);  //虚函数表解决了歧义问题，而且Top只被继承了一次，所以不会产生歧义 Top *top = &obj; printf("top->a=%d\n",top->a);  return 0;}

运行结果：

 再提一个问题如果是：

class Bottom:virtual public Left,virtual public Right{  public:    int lra;};

那么sizeof(Bottom)占用多大内存呢？   是28个字节，又引入了vptr。