C++虚拟多重继承对象模型讨论

C++虚拟多重继承对象模型讨论


作者：magictong
调试环境：Windows7VS2005

概述
记得刚开始写C++程序时，那还是大学时光，感觉这玩意比C强大多了，怎么就实现了多态，RTTI这些牛逼的玩意呢？当时没有深究，后来零零散散看过一些介绍的文章，也看了一些相关的书籍，总觉得说得不甚清楚。而这些问题的本质还是在于C++对象的内存模型问题，数据结构决定了你的算法嘛，在这里也是基本适用的。网上有很多讲C++对象模型的文章，但是大部分都是涉及基本继承，多重继承等等，而对于虚拟多重继承的情况则涉及不多，这篇文章则主要讲述这种情况下C++的对象模型情况，希望能够起到抛砖引玉的作用。
本文分三个步骤由浅入深的讨论这个问题。

一、先看一个最简单的例子
KVBase有一个虚函数Run()，KA从KVBase虚拟继承并且覆盖Run()函数。
源代码
#include"stdafx.h"
#include<iostream>
usingnamespacestd;

//先看一个简单的例子
classKVBase
{
public:
KVBase():m_nBase(1){}
virtualvoidRun()
{
cout <<"KVBase::Run()is called." <<endl;
}

private:
intm_nBase;
};

classKA :virtualpublic
KVBase
{
public:
KA():m_nb(2){}
virtualvoidRun()
{
cout <<"KA::Run()is called." <<endl;
}

private:
intm_nb;
};

int_tmain(intargc,_TCHAR*argv[])
{
KAa;
KVBase*pBase = &a;

cout<<"The Base Address:"<<hex
<<"0x" << &a <<endl;
cout<<"//=============>ObjectInfomation: " <<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+0) <<": 0x" << *(((int *)&a)+0)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+1) <<": 0x" << *(((int *)&a)+1)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+2) <<": 0x" << *(((int *)&a)+2)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+3) <<": 0x" << *(((int *)&a)+3)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+4) <<": 0x" << *(((int *)&a)+4)<<endl;

pBase->Run();
return0;
}

输出：



参考一下调试的结果（第一个图是视图，直观反映成员情况但不是具体的内存对象模型，第二张图才是内存中的真正数据排布）。



a对象内存分布情况：



0x00403238是a对象的虚基类指针，注意不是虚表指针，我开始也以为是虚表指针，但是根据后面的分析，在这种情况下，a对象因为没有自己的独特虚函数，实际上它不需要专门的虚指针了，共用虚基类的就可以了（至少我认为它是这么设计的^_^）。它里面的两个成员第一个成员是目前只发现有两个可能的值0和-4，如果当前类没有独特的虚函数，则值是0，否则是-4，我把它简单称之为一个标志位，第二个成员则是一个当前位置到虚基类地址的偏移量，单位是字节（0x00ff30+0x0c=0x00ff3c）。



0x00403234则是虚基类的虚表指针，0x004015d0实际就是KA::Run的地址。



这种情况下，虚表结构图大概是这样的（虚基类在最后面）：





二、继承类有自己特有的虚函数
稍微变动一下，给KA加一个自己的独特的虚函数RunKA()，分析方法同上，此时你会发现内存布局发生了一些小变化，最大的变化是KA类有了自己的虚表。
classKA :virtualpublic
KVBase
{
public:
KA():m_nb(2){}
virtualvoidRun()
{
cout <<"KA::Run()is called." <<endl;
}
virtualvoidRunKA()
{
cout <<"KA::RunKA()is called." <<endl;
}

private:
intm_nb;
};

输出：



其它部分不变，再次调试发现，内存是这样了：



视图：



0x00403258是KA类的虚表指针，里面的0x00401120正是KA::RunKA()的地址。



0x00403264是虚基类指针，存放着-4（0xfffffffc的补码，上面讨论过这种情况下表示当前类有自己的特有虚函数）和0x0c（偏移）。



0x403260是虚基类的虚表指针，里面存放这KA::Run()地址。




因此，这种情况下，虚表图大概是这样的（虚基类依然在最后面）：




三、钻石型继承
好吧，分析一个复杂的钻石型继承情况之后收工，为了说明的完整性，我贴一下全部的代码。
#include"stdafx.h"
#include<iostream>
usingnamespacestd;

classKVBase
{
public:
KVBase():m_nBase(1){}
virtualvoidRun()
{
cout <<"KVBase::Run()is called." <<endl;
}

private:
intm_nBase;
};

classKA :virtualpublic
KVBase
{
public:
KA():m_na(2){}
virtualvoidRun()
{
cout <<"KA::Run()is called." <<endl;
}
virtualvoidRunKA()
{
cout <<"KA::RunKA()is called." <<endl;
}

private:
intm_na;
};

classKB :virtualpublic
KVBase
{
public:
KB():m_nb(3),m_nb2(0x1022){}
virtualvoidRun()
{
cout <<"KB::Run()is called." <<endl;
}
virtualvoidRunKB()
{
cout <<"KB::RunKB()is called." <<endl;
}
virtualvoidFuncKB()
{
cout <<"KB::FuncKB()is called." <<endl;
}

private:
intm_nb;
intm_nb2;
};

classDChild :publicKA,public
KB
{
public:
DChild():m_ndChild(4){}
virtualvoidRun()
{
cout <<"DChild::Run()is called." <<endl;
}
virtualvoidRunKA()
{
cout <<"DChild::RunKA()is called." <<endl;
}
virtualvoidRunKB()
{
cout <<"DChild::RunKB()is called." <<endl;
}
virtualvoidFuncDChild()
{
cout <<"DChild::FuncDChild()is called." <<endl;
}
private:
intm_ndChild;
};

int_tmain(intargc,_TCHAR*argv[])
{
DChilda;
KVBase*pBase = &a;

cout<<"The Base Address:"<<hex
<<"0x" << &a <<endl;
cout<<"//=============>ObjectInfomation: " <<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+0) <<": 0x" << *(((int *)&a)+0)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+1) <<": 0x" << *(((int *)&a)+1)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+2) <<": 0x" << *(((int *)&a)+2)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+3) <<": 0x" << *(((int *)&a)+3)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+4) <<": 0x" << *(((int *)&a)+4)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+5) <<": 0x" << *(((int *)&a)+5)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+6) <<": 0x" << *(((int *)&a)+6)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+7) <<": 0x" << *(((int *)&a)+7)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+8) <<": 0x" << *(((int *)&a)+8)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+9) <<": 0x" << *(((int *)&a)+9)<<endl;
cout<<hex <<"0x" << (((int
*)&a)+10) <<": 0x" << *(((int *)&a)+10)<<endl;

pBase->Run();
return0;
}

运行一下：




现在开始变得有些有趣了，先看一下视图，大概了解一下整个布局。



然后一个个的看打印出来的那些地址都代表着什么。
0x00403384是KA的虚表指针，其中0x00401330是DChild::RunKA()地址，0x00401390是DChild::FuncDChild()地址，很明显，DChild类的虚函数是放在这个虚表里面的。



0x004033a0是KA的虚基类指针，标志位依然是-4，偏移则是0x20，算一下，0x0012FF1C+0x20果然是0x0012FF3C。



跟KB类相关的两个地址，0x00403390和0x004033a8的地址内容跟KA类是相似的（不过虚表就没有DChild的虚函数指针了），聪明的小伙伴可以自己去看下。
至于0x0040339c则依然是虚基类虚表指针，现在虚表里面是函数DChild::Run()地址。



直接上图，这种情况下，虚表结构图大概是这样的：




总结
其实C++的对象内存模型在不同的编译器下面是有差异的，有兴趣的同学可以在GCC之类的环境下测试一下，但是整体的设计思想其实都是大同小异的，我们也许没有必要把所有的细节都弄得极其清楚，但是学习这个思想才是最根本的，思考一下前人为什么要这么设计？！这么设计的好处是什么？！他们想解决什么问题？！

参考文献
[1] 虚函数表解析/article/2551883.html

[2] C++对象的内存布局/article/2551888.html

[3] 《深度探索C++对象模型》侯捷

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