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c++内存分布（二）--虚函数和虚继承

2012-08-10 20:58 369 查看

c++内存分布（二）--虚函数和虚继承
http://hi.baidu.com/kuhntoria/blog/item/5872c1fe9bfd5d0d6d22eb22.html
2011-08-31 16:20

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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