浅析GCC下C++多重继承 & 虚拟继承的对象内存布局

继承是C++作为OOD程序设计语言的三大特征（封装，继承，多态）之一，单一非多态继承是比较好理解的，本文主要讲解GCC环境下的多重继承和虚拟继承的对象内存布局。

一、多重继承

先看几个类的定义：

class Top
{
public:
int a;
};

class Left : public Top
{
public:
int b;
};

class Right : public Top
{
public:
int c;
};

class Bottom : public Left, public Right
{
public:
int d;
};

不难想象，Left和Right类的内存布局如下图所示：





我们如下进行验证：

Left *left = new Left();
Top *top = left;
cout << left <<  '\t' << top << endl;//输出：0x902c008       0x902c008
Right *right = new Right();
top = right;
cout << right << '\t' << top << endl;//输出：0x902c018       0x902c018

从输出结果可以看出，父类指针top指向子类对象left和right的起始地址，与上述内存布局吻合。

在非虚拟多重继承的情况下，子类的内存布局是什么样子的呢？如下所示：



可以看出，Bottom类由于继承了Left和Right，而Left和Right又分别继承了Top。因此，Bottom包含了Top两次！

下面进行验证：

Bottom *bottom = new Bottom();

//  top = bottom;     //error: ‘Top’ is an ambiguous base of ‘Bottom’

top = (Left *)bottom;

left = bottom;
cout << bottom << '\t' << top << '\t' << left << endl;//输出:0x9930028 0x9930028 0x9930028
top = (Right *)bottom;
right = bottom;
cout << bottom << '\t' << top << '\t' << right << endl;//输出:0x9930028 0x9930030 0x9930030

从输出结果可以看出，left指针和right指针分别指向了bottom对象中它们所处的位置：





由于bottom对象中存在两部分top对象，因此不能直接用top指针指向bottom对象，因为编译器不知道你的意图到底是指向left中的bottom部分，还是right中的bottom部分。需要进行转换才可以。如果需要通过bottom指针分别访问left和right中的top部分，可以如下： bottom->Left::a， bottom->Right::a。

好了，到这里讲完了非虚拟继承下的多重继承的内存布局情况，相信大家应该有一个比较清晰的认识了。最重要的一点是：
多重继承时，父类共同继承的祖父类会在子类中有多份存在。

二、虚拟继承

平时讨论的最多的是虚函数，很少涉及到虚拟继承的情况。那么，虚拟继承到底是一个什么概念呢？

先来看一个例子：

#include <iostream>
using namespace std;

class Father
{
public:
int a;
};

class Child : virtual public Father
{
public:
int b;
};

int main()
{
cout << sizeof(Father) << '\t' << sizeof(Child) << endl;//输出：4   12
Child child;
cout << &child << '\t' << &child.b << '\t' << &child.a << endl;//输出：0xbfc08124 0xbfc08128 0xbfc0812c
return 0;
}

对，你没有看错，类的大小输出不是4 8，而是4 12。虚拟继承时，编译器会在子类中安插上一个虚表指针。

从输出的对象成员地址来看，我们可以得到Child类的如下内存布局：



现在我们对多重继承的例子进行改造：

class Top
{
public:
int a;
};

class Left : virtual public Top
{
public:
int b;
};

class Right : virtual public Top
{
public:
int c;
};

class Bottom : public Left, public Right
{
public:
int d;
};

把Left和Right改成了虚拟继承Top。

从上面验证简单虚拟继承时，编译器安插虚表指针的例子，我们可以想象出此时Bottom类的对象内存布局如下：



对，你没有看错！虚拟继承时，子类只有父类共同继承的祖父类的一份存在。这其实也就是虚拟继承的最大用途。此时，Top，Left，Right和Bottom对象的大小分别为：4 ，12 ，12 ，24。

既然有虚表指针了，那么Bottom的虚表是什么样的呢？请看：



有了虚表，内存布局情况一目了然。下面我们进行验证：

Bottom *bottom = new Bottom();
top = bottom;
cout << bottom << '\t' << top << endl;//输出：0x9fa5028       0x9fa503c
Left *left = bottom;
cout << bottom << '\t' << left << endl;//输出：0x9fa5028       0x9fa5028
Right *right = bottom;
cout << bottom << '\t' << right << endl;//输出：0x9fa5028       0x9fa5030

根据输出结果，我们可以知道指针的指向情况：



由于引入了虚指针和虚表，left指针和right指针可以根据虚表提供的偏移量信息，轻松访问到Top::a。

到此为止，已经讨论清楚了多重继承和虚拟继承下的对象内存布局情况。总结下：非虚拟多重继承时，子类会有父类

共同继承祖父类的多份存在；虚拟继承时，子类会被安插一个虚拟指针；多重虚拟继承时，子类只有父类共同继承祖父类的一

份存在。通过父类的虚拟指针，可以正确地访问祖父类中的成员。

参考文献：

1.http://www.tbdata.org/archives/878

2. 《深度探索C++对象模型》