深度探索C++对象模型--继承与Data Member

在C++继承模型中，一个继承类所表现出的东西，是自己的member与其加上基类成员的总和，而且排列顺序一般是基类在上（虚基类除外）。

假设Point2d, Point3d无继承关系，数据分布如下图：



以下分四种关系：单一继承不含virtual, 单一继承含有virtual, 多重继承，虚拟继承，分析每种的数据分布。

1 只要继承不含virtual(单一继承)：这种继承并不会增加空间或存取时间上的额外负担。如果Point2d共有继承自Point3d,数据分布如下：



如上图，Point3d包含了一个Point2d子对象，C++保证出现在继承类中的基类子对象保持其原有的完整性，是为了保证指针赋值之间表现正确，如果为了节省空间，不保持原样，因为有padding等等，所以指针赋值可能会出现错误。覆盖掉原来的值，但还有多余的值。

2 加上多态：每个对象都会多一个vptr，指向虚函数表。

假如Point2d含有虚函数，为了支持多态，在这种情况下会带来空间与存取时间上的额外负担，如下：

（1）导入一个和Point2d有关的virtual table,用来存放所声明的每一个虚函数地址，元素个数一般是声明的虚函数个数，加上为了支持RTTI的一个或两个slots

（2）在每个类对象中导入一个vptr，提供执行期链接，使其找到virtual table

（3）加强constructor,使它设定vptr初值，而且可能意味着在derived class和每一个base class的构造函数中都重新设定vptr的值

（4）加强destructor,即取消vptr的值。

关于vptr的位置，一般是放在最上或最下，virtual c++放在最上面，这个在通过类对象的指针调用虚函数时会带来帮助，但是丧失了与C的兼容性。一种是尾端，如gcc,这保持了兼容，但对虚函数调用可能要一些额外操作。下图是vptr放在对象最下面 加入多态后的数据分布如下：



3 多重继承。问题主要发生在derived class objects和其第二个及其后的基类对象之间的转换。

Point3d p3d;
Point2d *p = &p3d;

上面的转换因为是单一继承，转换是直接的。单一继承提供了自然多态，即base type与derived type之间的类型转换是直接的，因为两者的对象都是从相同的地址开始的，差异只是derived对象较大。这个赋值操作只需执行指针赋值，就可以完全正确，且有最佳执行效率。（这种的前提是如果有vptr，vptr放在对象尾部）

对于一个多重继承，问题发生在derived class objects和其第二个及其后的基类对象之间的转换。

如果将多重派生对象地址赋给第一个基类，因为地址相同，所以与单一继承时相同，因为二者有相同的起始地址。

如果将多重派生对象地址赋给第二个或其后继子类，则需要将这个派生对象的地址修改，加上（或减去，如果是downcast）的介于中间的base class subobject(s)的大小。

如果有下面的继承关系：



对象布局如下（vptr在下）：



对于上面这些类之间的赋值的操作如下：

Vertex3d v3d;
Vertex  *pv;
Point2d *p2d;
Point3d *p3d;

pv = &v3d;
//转换可能如下：
pv = (Vertex*)(((char*)&v3d)+sizeof(Point3d));
//而下面的操作，只需要简单拷贝：
p2d = &v3d;
p3d = &v3d;

//如下两个指针，可能要进行判断
Vertex3d *pv3d;
Vertex *pv;
pv = pv3d;
//转换如下，防止pv3d为0
pv = pv3d ? (Vertex*)((char*)pv3d+sizeof(Point3d)) : 0;

引用不需要对0做防卫，因为引用不可能参考“无物”。

4 虚拟继承：共享的基类在每个类中只含有一份。

如下图关系：



要解决的问题：Vertex, Point3d都含有一份Point2d,而Vertex3d需要将这两个子对像中的Point2d子对象合成为一份，并且还要保持基类与继承类的指针之间多态的赋值。

一般实现方法：首先如果类含有一个或多个虚基类，先分割成两部分，一个不变区域和一个共享区域。不变区域中的数据，无论后继如何变化，总有固定的offset(从object的开头算起)，所以这部分数据可以直接存取。共享区域，就是虚基类子对像，位置会因为每次派生操作发生变化，所以只能间接存取。所以编译器的差异在于间接存取的方式。

目前有两种实现模型：

（1）在每个derived class object中安插一些指针，每个指针指向virtual base class.所以存取虚基类对象，可以通过指针完成。这种模型的图如下：



在这种模型下，一个继承类与基类之间的转化：

Point2d *p2d = pv3d;
//虚拟c++代码，转换为以下形式
Point2d *p2d = pv3d ? pv3d->vbcPoint2d : 0;

这个模型有主要有以下两个缺点：

（1）每个对象必须针对每个virtual base class背负一个额外的指针

（2）由于虚拟串链的加长，导致间接存取层次的增加

对于第一个问题，Microsoft的编译器引用了一个virtual class class table,即类似与虚函数表，编译器安插一个指针指向该表，表中的slot指向真正的虚基类地址。

第二个解决方法，是在virtual function table中放置virtual base class的offset(不是地址)，即将虚函数偏移地址与虚函数表混在一起。Sun编译器中，virtual function table可经由正值或负值来索引，正表示虚函数，父表示虚基类。该模型如下图：



在该模型下，指针转化如下:

Point2d *p2d = pv3d;
//虚拟c++代码，转换为以下形式
Point2d *p2d = pv3d ? pv3d+pv3d->__vptr__Point3d[-1] : 0;

以上是发生在经由指针来存取一个继承来的虚基来的成员，如果是经过对象存取，可以直接优化为一个直接存取操作，以上问题也不会存在。

总结呀：virtual base class最有效的一种运用形式是：如果一个抽象的virtual base class，最好没有任何data成员。。。。

PS：

明天要起不来了，怎么办？？

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