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[转]C++中的【菱形虚继承】深入剖析

2012-11-29 16:37 162 查看
转自:/article/4301561.html

转眼间有过了一个月了,自从【C/C++语言入门篇】连载结束后,已经很久没有写博了。最近一直忙着本科毕业论文和工作上的任务,加上一个对于我来说非常重要的事情正在进行中。所以近段时间脑子一直处于绷紧状态,发现自己的脑细胞还真是不够用。加油!

今天有朋友问到一个问题,那就是在C++的多重继承中,出现菱形状继承的情况下,在构造对象时的内存分布及构造函数的调用流程上出现了问题。最后跟他解释清楚之后,我感觉还是有必要把这个过程写下来,有什么说得不对的地方请大家提出宝贵意见,在此感谢,同时知道这里面的朋友可以直接略过本篇。

好了,直接切入正题,所谓的菱形继承,最简单的构造如下:

class A

{

public:

A( void ) : nVar( 0xaaaa0000 ){}

public:

int nVar;

};

class B1 : public A

{

public:

B1( void ){}

};

class B2 : public A

{

public:

B2( void ){}

};

class C : public B1, public B2

{

public:

C( void ){}

};

就是这样一个多重继承,用图形化来表示之间的关系就是:

A

/ /

/ /

B1 B2

/ /

/ /

C

然后,在创建C的对象:

int main( void )

{

C obj;

return 0;

}

我想大家应该知道这样将造成什么情况,在这里可以清楚的知道obj的大小为8,为什么是8,先看内存分布:

假如obj的内存地址为0x0012ff18.

0x0012FF18: 00 00 aa aa00 00 aa aa

看了obj对象的内存,里面有2个A的副本,红色的就是B1那条线继承下来的内存,蓝色就是B2那条线继承下来的。因此A的构造函数被调用了两次,这里B1在前面,B2在后面是因为一对多继承是从左到右分布内存的。

从这里明显知道这样的结局肯定是很悲剧的。更可怕的是假如使用obj访问nVar成员将导致编译出错:

obj.nVar = 0x100;

对nVar的访问不明确,因为有两个副本,编译器不知道你到底要修改那个副本,从而导致编译错误,这里访问成员函数也是一个道理。

那么,有什么解决办法不让这种现象出现呢,C++提出了虚继承,以解决这个问题:

class A

{

public:

A( void ) : nVar( 0xaaaa0000 ){}

public:

int nVar;

};

class B1 : virtual public A

{

public:

B1( void ){}

};

class B2 : virtual public A

{

public:

B2( void ){}

};

class C : public B1, public B2

{

public:

C( void ){}

};

这样继承下来后,A就只会保留一个副本,再来看内存分布(这里声明,我使用的是VC2008版本来测试的):

假如obj的内存地址为:0x0012FF10

0x0012FF10: 0041580c 00415800 aaaa0000

可以清晰看出这里0xaaaa0000只有一个,而这时前面多了两个值,obj的大小为12字节,前面蓝色的地址就是C类的虚基指针(vbtable)如果A有虚函数的话,在蓝色和红色之间还会加上虚函数表(vftable)这时就占16字节了。这里就不具体介绍多重继承的虚表的内存分布了。

好了,下面就是本文的重点了,来看看obj对象创建时,调用构造函数的流程:

流程大概就是:在obj创建时,首先会调用C类的构造函数,在构造函数中,首先会将两个vbtable的偏移赋值给前面的蓝色部分内存。之后就会调用A的构造函数,调用之后再调B1和B2的构造函数。

用伪代码来表示:

C()

{

vbtable;

vbtable;

A::A();

B1::B1();

B2::B2();

}

那么在调用B1和B2的构造函数是时,按理说会调用A的构造函数,因为B1、B2也是继承于A,但是为什么没有调用A的构造函数呢?来看看反汇编代码:

首先看main函数:

C obj;

004113DE push
1

004113E0 lea
ecx,[obj]

004113E3 call
C::C (4110E6h)

在红色处调用C的构造函数,再来看C的构造函数:

00411460 push
ebp

00411461 mov
ebp,esp

00411463 sub
esp,0CCh

00411469 push ebx

0041146A push esi

0041146B push edi

0041146C push ecx

0041146D lea
edi,[ebp-0CCh]

00411473 mov
ecx,33h

00411478 mov
eax,0CCCCCCCCh

0041147D rep stos dword ptr es:[edi]

0041147F pop
ecx

00411480 mov dword ptr
[ebp-8],ecx

00411483 cmp dword ptr
[ebp+8],0

00411487 je
C::C+47h (4114A7h)

00411489 mov eax,dword
ptr [this]

0041148C mov
dword ptr [eax],offset C::`vbtable' (41580Ch)

00411492
mov eax,dword ptr [this]

00411495 mov
dword ptr [eax+4],offset C::`vbtable' (415800h)

0041149C mov ecx,dword
ptr [this]

0041149F add ecx,8

004114A2 call A::A
(4110EBh)

004114A7 push
0


004114A9 mov
ecx,dword ptr [this]
004114AC call
B2::B2 (4110AAh)


004114B1 push
0


004114B3 mov
ecx,dword ptr [this]


004114B6 add
ecx,4


004114B9 call
B1::B1 (41107Dh)
004114BE
mov eax,dword ptr [this]

004114C1 pop
edi

004114C2 pop
esi

004114C3 pop
ebx

004114C4 add
esp,0CCh

004114CA cmp
ebp,esp

004114CC call
@ILT+330(__RTC_CheckEsp) (41114Fh)

004114D1 mov
esp,ebp

004114D3 pop
ebp

004114D4 ret
4

上面蓝色的为加粗字体,可以看出在赋值vbtable。下面的红色为加粗的部分就是调用A的构造函数。这不奇怪。

在调用A的构造之前有一句:add
ecx, 8 这一句的目的是为了将this定位到两个vbtable之后,在调用A的构造函数时,直接往this所指向的内存地址下写值:0xaaaa0000。因此就构成了布局:

0x0012FF10:
0041580c 00415800 aaaa0000

C::this/(
vbtable)
vbtable A::this


C的this在这里看当然是0x0012ff10,A的this就是0x0012ff18,中间相隔两个vbtable,其实this也就是某个类的起始地址,没有什么特别的。

到这里,你可能注意到了蓝色加粗和红色加粗的两条一样的指令push
0,这条语句显然是编译器添加的,B2的构造函数明显没有参数,这样push一个0进去有点类似隐含的一个参数,那么push一个0进去到底做了些什么呢,再看B1的构造函数:

00411550 push
ebp

00411551 mov
ebp,esp

00411553 sub
esp,0CCh

00411559 push ebx

0041155A push esi

0041155B push edi

0041155C push ecx

0041155D lea
edi,[ebp-0CCh]

00411563 mov ecx,33h

00411568 mov
eax,0CCCCCCCCh

0041156D rep stos dword ptr es:[edi]

0041156F pop
ecx

00411570 mov dword ptr
[ebp-8],ecx

00411573 cmp
dword ptr [ebp+8],0


00411577 je
B1::B1+3Dh (41158Dh)

00411579
mov eax,dword ptr [this]

0041157C mov dword ptr
[eax],offset B1::`vbtable' (415818h)

00411582 mov ecx,dword
ptr [this]

00411585 add ecx,4

00411588
call A::A (4110EBh)


0041158D mov
eax,dword ptr [this]
00411590
pop edi

00411591 pop
esi

00411592 pop
ebx

00411593 add
esp,0CCh

00411599 cmp
ebp,esp

0041159B call
@ILT+330(__RTC_CheckEsp) (41114Fh)

004115A0 mov
esp,ebp

004115A2 pop
ebp

004115A3 ret 4

红色的那句指令很明显,ebp+8正是函数的第一个参数,这里虽然没有,但是压入了一个0,这样一个cmp与0比较相等,执行蓝色的跳转直接跃过A的构造函数调用到绿色的那条指令。这样便实现了只调用一次A的构造函数的功能。B2的构造函数也是同理,这里就不介绍了。

有了这样一个push
0 然后又检查是否为零的操作,所以就算你在B1、B2中显示调用A的构造函数,结果还是不会调用A的构造函数的。

形如:
B1( void ): A(){} 因为判断为零直接跳转到构造函数的用户代码里。

好了,本文就到这里就差不多了,这里只是介绍了虚继承中构造函数调用的原理。望大家多多提意见哈。
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