浅谈C++中虚基类的内存布局

来源：互联网发布：闲鱼淘宝介入的客服编辑：程序博客网时间：2024/06/04 18:24

今天重温C++的知识，当看到虚基类这点的时候，那时候也没有太过追究，就是知道虚基类是消除了类继承之间的二义性问题而已，可是很是好奇，它是怎么消除的，内存布局是怎么分配的呢？于是就深入研究了一下，具体的原理如下所示：来至于网络：http://www.cdtarena.com

在C++中，obj是一个类的对象，p是指向obj的指针，该类里面有个数据成员mem，请问obj.mem和p->mem在实现和效率上有什么不同。

答案是：只有一种情况下才有重大差异，该情况必须满足以下3个条件：

（1）、obj是一个虚拟继承的派生类的对象

（2）、mem是从虚拟基类派生下来的成员

（3）、p是基类类型的指针

当这种情况下，p->mem会比obj.mem多了两个中间层。（也就是说在这种情况下，p->mem比obj.mem要明显的慢）

WHY？

如果好奇心比较重的话，请往下看 :

1、虚基类的使用，和为多态而实现的虚函数不同，是为了解决多重继承的二义性问题。

举例如下：

class A

{

public:

int a;

};

class B : virtual public A

{

public:

int b;

};

class C :virtual public A

{

public:

int c;

};

class D : public B, public C

{

public:

int d;

};

上面这种菱形的继承体系中，如果没有virtual继承，那么D中就有两个A的成员int a；继承下来，使用的时候，就会有很多二义性。而加了virtual继承，在D中就只有A的成员int a；的一份拷贝，该拷贝不是来自B，也不是来自C，而是一份单独的拷贝，那么，编译器是怎么实现的呢？？

在回答这个问题之前，先想一下，sizeof（A），sizeof（B），sizeof（C），sizeof（D）是多少？（在32位x86的linux2.6下面，或者在vc2005下面）在linux2.6下面，结果如下：sizeof（A） = 4; sizeof（B） = 12; sizeof（C） = 12; sizeof（D） = 24;sizeof（B）为什么是12呢，那是因为多了一个指针（这一点和虚函数的实现一样），那个指针是干嘛的呢？

那么sizeof（D）为什么是24呢？那是因为除了继承B中的b，C中的c，A中的a,和D自己的成员d之外，还继承了B，C多出来的2个指针（B和C分别有一个）。再强调一遍，D中的int a不是来自B也不是来自C，而是另外的一份从A直接靠过来的成员。

如果声明了D的对象d： D d；

那么d的内存布局如下：

vb_ptr: 继承自B的指针

int b：继承自B公有成员

vc_ptr：继承自C的指针

int c：继承自C的共有成员

int d： D自己的公有成员

int a：继承自A的公有成员

那么以下的用法会发生什么事呢？

D dD;

B *pb = &dD;

pb->a;

上面说过，dD中的int a不是继承自B的，也不是继承自C的，那么这个B中的pb->a又会怎么知道指向的是dD内存中的第六项呢？

那就是指针vb_ptr的妙用了。原理如下：（其实g++3.4.3的实现更加复杂，我不知道是出于什么考虑，而我这里只说原理，所以把过程和内容简单化了）

首先，vb_ptr指向一个整数的地址，里面放的整数是那个int a的距离dD开始处的位移（在这里vb_ptr指向的地址里面放的是20，以字节为单位）。编译器是这样做的：

首先，找到vb_ptr（这个不用找，因为在g++中，vb_ptr就是B*中的第一项，呵呵），然后取得vb_ptr指向的地址的内容（这个例子是20），最后把这个内容与指针pb相加，就得到pb->a的地址了。

所以说这种时候，用指针转换多了两个中间层才能找到基类的成员，而且是运行期间。

由此也可以推知dD中的vb_ptr和vc_ptr的内容都是一样的，都是指向同一个地址，该地址就放20（在本例中）

如下的语句呢：

A *pa = &dD;

pa->a = 4;

这个语句不用转换了，因为编译器在编译期间就知道他把A中的成员插在dD中的那个地方了（在本例中是末尾），所以这个语句中的运行效率和dD.a是一样的（至少也是差不多的）

这就是虚基类实现的基本原理。

注意的是：那些指针的位置和基类成员在派生类成员中的内存布局是不确定的，也就是说标准里面没有规定int a必须要放在最后，只不过g++编译器的实现而已。c++标准大概只规定了这套机制的原理，至于具体的实现，比如各成员的排放顺序和优化，由各个编译器厂商自己定~

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Q：C++ Interface接口类中的纯虚函数是否占用内存?

例: 设二个库 A.DLL, B.DLL

A.DLL如下

interface ITest{public:  virtual ~ITest() {}  /// 测试OK  virtual int TestOK() = 0;}

B.DLL如下

class AppTest : public ITest{private:  int x, y, z;public:  virtual int TestOK() { return true; }}

如果我要A.DLL库中为ITest接口为添加一个 virtual int TestNO() = 0; 接口, 是否会影响到B.DLL AppTest类中的变量x,y,z内存布局

A：

不会影响x、y、z的内存布局。

理由：

ITest作为基类，其析构函数是virtual的，这是很正确的。这样做的结果就会多出一个虚函数表指针。此后，无论你在ITest中增加纯虚函数还是普通虚函数，都不会改变ITest的内存布局。
派生类继承ITest，那么在派生类对象中，会有一个ITest这样的子对象，而且该子对象会保证其原始的完整性(就像一个真正的ITest对象一样，只不过它存在于派生类对象中)，所以由于ITest的内存布局没有发生变化，那么这一部分也不会发生变化。
如果在派生类中重写了ITest的虚函数或者纯虚函数，由于2说到的原因，派生类已经有了一个虚函数表指针，在VS2003/5中并不会再增加一个虚函数表指针，所以这样的做法也不会是的派生类对象的内存布局发生变动。