C++對象的內存佈局(下)

陳皓

轉自:http://blog.csdn.net/haoel/article/details/3081385

重複繼承

下面我們再來看看，發生重複繼承的情況。所謂重複繼承，也就是某個基類被間接地重複繼承了多次。

下圖是一個繼承圖，我們重載了父類的f()函數。

其類繼承的源代碼如下所示。其中，每個類都有兩個變量，一個是整形（4字節），一個是字符（1字節），而且還有自己的虛函數，自己overwrite父類的虛函數。如子類D中，f()覆蓋了超類的函數， f1() 和f2() 覆蓋了其父類的虛函數，Df()爲自己的虛函數。

class B

{

public:

int ib;

char cb;

public:

B():ib(0),cb('B') {}

virtualvoid f() { cout << "B::f()" << endl;}

virtualvoid Bf() { cout << "B::Bf()" << endl;}

};

class B1 : public B

{

public:

int ib1;

char cb1;

public:

B1():ib1(11),cb1('1') {}

virtualvoid f() { cout << "B1::f()" << endl;}

virtualvoid f1() { cout << "B1::f1()" << endl;}

virtualvoid Bf1() { cout << "B1::Bf1()" << endl;}

};

class B2: public B

{

public:

int ib2;

char cb2;

public:

B2():ib2(12),cb2('2') {}

virtualvoid f() { cout << "B2::f()" << endl;}

virtualvoid f2() { cout << "B2::f2()" << endl;}

virtualvoid Bf2() { cout << "B2::Bf2()" << endl;}

};

class D : public B1, public B2

{

public:

int id;

char cd;

public:

D():id(100),cd('D') {}

virtualvoid f() { cout << "D::f()" << endl;}

virtualvoid f1() { cout << "D::f1()" << endl;}

virtualvoid f2() { cout << "D::f2()" << endl;}

virtualvoid Df() { cout << "D::Df()" << endl;}

};

我們用來存取子類內存佈局的代碼如下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）

typedefvoid(*Fun)(void);

int** pVtab = NULL;

Fun pFun = NULL;

D d;

pVtab = (int**)&d;

cout << "[0] D::B1::_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab[0][0];

cout << " [0] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][1];

cout << " [1] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][2];

cout << " [2] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][3];

cout << " [3] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][4];

cout << " [4] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][5];

cout << " [5] 0x" << pFun << endl;

cout << "[1] B::ib = " << (int)pVtab[1] << endl;

cout << "[2] B::cb = " << (char)pVtab[2] << endl;

cout << "[3] B1::ib1 = " << (int)pVtab[3] << endl;

cout << "[4] B1::cb1 = " << (char)pVtab[4] << endl;

cout << "[5] D::B2::_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab[5][0];

cout << " [0] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[5][1];

cout << " [1] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[5][2];

cout << " [2] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[5][3];

cout << " [3] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[5][4];

cout << " [4] 0x" << pFun << endl;

cout << "[6] B::ib = " << (int)pVtab[6] << endl;

cout << "[7] B::cb = " << (char)pVtab[7] << endl;

cout << "[8] B2::ib2 = " << (int)pVtab[8] << endl;

cout << "[9] B2::cb2 = " << (char)pVtab[9] << endl;

cout << "[10] D::id = " << (int)pVtab[10] << endl;

cout << "[11] D::cd = " << (char)pVtab[11] << endl;

程序運行結果如下：

GCC 3.4.4

VC++ 2003

[0] D::B1::_vptr->

[0] D::f()

[1] B::Bf()

[2] D::f1()

[3] B1::Bf1()

[4] D::f2()

[5] 0x1

[1] B::ib = 0

[2] B::cb = B

[3] B1::ib1 = 11

[4] B1::cb1 = 1

[5] D::B2::_vptr->

[0] D::f()

[1] B::Bf()

[2] D::f2()

[3] B2::Bf2()

[4] 0x0

[6] B::ib = 0

[7] B::cb = B

[8] B2::ib2 = 12

[9] B2::cb2 = 2

[10] D::id = 100

[11] D::cd = D

[0] D::B1::_vptr->

[0] D::f()

[1] B::Bf()

[2] D::f1()

[3] B1::Bf1()

[4] D::Df()

[5] 0x00000000

[1] B::ib = 0

[2] B::cb = B

[3] B1::ib1 = 11

[4] B1::cb1 = 1

[5] D::B2::_vptr->

[0] D::f()

[1] B::Bf()

[2] D::f2()

[3] B2::Bf2()

[4] 0x00000000

[6] B::ib = 0

[7] B::cb = B

[8] B2::ib2 = 12

[9] B2::cb2 = 2

[10] D::id = 100

[11] D::cd = D

下面是對於子類實例中的虛函數表的圖：

我們可以看見，最頂端的父類B其成員變量存在於B1和B2中，並被D給繼承下去了。而在D中，其有B1和B2的實例，於是B的成員在D的實例中存在兩份，一份是B1繼承而來的，另一份是B2繼承而來的。所以，如果我們使用以下語句，則會產生二義性編譯錯誤：

D d;

d.ib = 0; //二義性錯誤

d.B1::ib = 1; //正確

d.B2::ib = 2; //正確

注意，上面例程中的最後兩條語句存取的是兩個變量。雖然我們消除了二義性的編譯錯誤，但B類在D中還是有兩個實例，這種繼承造成了數據的重複，我們叫這種繼承爲重複繼承。重複的基類數據成員可能並不是我們想要的。所以，C++引入了虛基類的概念。

鑽石型多重虛擬繼承

虛擬繼承的出現就是爲了解決重複繼承中多個間接父類的問題的。鑽石型的結構是其最經典的結構。也是我們在這裏要討論的結構：

上述的“重複繼承”只需要把B1和B2繼承B的語法中加上virtual 關鍵，就成了虛擬繼承，其繼承圖如下所示：

上圖和前面的“重複繼承”中的類的內部數據和接口都是完全一樣的，只是我們採用了虛擬繼承：其省略後的源碼如下所示：

class B {……};

class B1 : virtualpublic B{……};

class B2: virtualpublic B{……};

class D : public B1, public B2{ …… };

在查看D之前，我們先看一看單一虛擬繼承的情況。下面是一段在VC++2003下的測試程序：（因爲VC++和GCC的內存而局上有一些細節上的不同，所以這裏只給出VC++的程序，GCC下的程序大家可以根據我給出的程序自己仿照着寫一個去試一試）：

int** pVtab = NULL;

Fun pFun = NULL;

B1 bb1;

pVtab = (int**)&bb1;

cout << "[0] B1::_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab[0][0];

cout << " [0] ";

pFun(); //B1::f1();

cout << " [1] ";

pFun = (Fun)pVtab[0][1];

pFun(); //B1::bf1();

cout << " [2] ";

cout << pVtab[0][2] << endl;

cout << "[1] = 0x";

cout << (int*)*((int*)(&bb1)+1) <<endl; //B1::ib1

cout << "[2] B1::ib1 = ";

cout << (int)*((int*)(&bb1)+2) <<endl; //B1::ib1

cout << "[3] B1::cb1 = ";

cout << (char)*((int*)(&bb1)+3) << endl; //B1::cb1

cout << "[4] = 0x";

cout << (int*)*((int*)(&bb1)+4) << endl; //NULL

cout << "[5] B::_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab[5][0];

cout << " [0] ";

pFun(); //B1::f();

pFun = (Fun)pVtab[5][1];

cout << " [1] ";

pFun(); //B::Bf();

cout << " [2] ";

cout << "0x" << (Fun)pVtab[5][2] << endl;

cout << "[6] B::ib = ";

cout << (int)*((int*)(&bb1)+6) <<endl; //B::ib

cout << "[7] B::cb = ";

其運行結果如下（我結出了GCC的和VC++2003的對比）：

GCC 3.4.4

VC++ 2003

[0] B1::_vptr ->

[0] : B1::f()

[1] : B1::f1()

[2] : B1::Bf1()

[3] : 0

[1] B1::ib1 : 11

[2] B1::cb1 : 1

[3] B::_vptr ->

[0] : B1::f()

[1] : B::Bf()

[2] : 0

[4] B::ib : 0

[5] B::cb : B

[6] NULL : 0

[0] B1::_vptr->

[0] B1::f1()

[1] B1::Bf1()

[2] 0

[1] = 0x00454310該地址取值後是-4

[2] B1::ib1 = 11

[3] B1::cb1 = 1

[4] = 0x00000000

[5] B::_vptr->

[0] B1::f()

[1] B::Bf()

[2] 0x00000000

[6] B::ib = 0

[7] B::cb = B

這裏，大家可以自己對比一下。關於細節上，我會在後面一併再說。

下面的測試程序是看子類D的內存佈局，同樣是VC++ 2003的（因爲VC++和GCC的內存佈局上有一些細節上的不同，而VC++的相對要清楚很多，所以這裏只給出VC++的程序，GCC下的程序大家可以根據我給出的程序自己仿照着寫一個去試一試）：

D d;

pVtab = (int**)&d;

cout << "[0] D::B1::_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab[0][0];

cout << " [0] "; pFun(); //D::f1();

pFun = (Fun)pVtab[0][1];

cout << " [1] "; pFun(); //B1::Bf1();

pFun = (Fun)pVtab[0][2];

cout << " [2] "; pFun(); //D::Df();

pFun = (Fun)pVtab[0][3];

cout << " [3] ";

cout << pFun << endl;

//cout << pVtab[4][2] << endl;

cout << "[1] = 0x";

cout << (int*)((&dd)+1) <<endl; //????

cout << "[2] B1::ib1 = ";

cout << *((int*)(&dd)+2) <<endl; //B1::ib1

cout << "[3] B1::cb1 = ";

cout << (char)*((int*)(&dd)+3) << endl; //B1::cb1

//---------------------

cout << "[4] D::B2::_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab[4][0];

cout << " [0] "; pFun(); //D::f2();

pFun = (Fun)pVtab[4][1];

cout << " [1] "; pFun(); //B2::Bf2();

pFun = (Fun)pVtab[4][2];

cout << " [2] ";

cout << pFun << endl;

cout << "[5] = 0x";

cout << *((int*)(&dd)+5) << endl; // ???

cout << "[6] B2::ib2 = ";

cout << (int)*((int*)(&dd)+6) <<endl; //B2::ib2

cout << "[7] B2::cb2 = ";

cout << (char)*((int*)(&dd)+7) << endl; //B2::cb2

cout << "[8] D::id = ";

cout << *((int*)(&dd)+8) << endl; //D::id

cout << "[9] D::cd = ";

cout << (char)*((int*)(&dd)+9) << endl;//D::cd

cout << "[10] = 0x";

cout << (int*)*((int*)(&dd)+10) << endl;

//---------------------

cout << "[11] D::B::_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab[11][0];

cout << " [0] "; pFun(); //D::f();

pFun = (Fun)pVtab[11][1];

cout << " [1] "; pFun(); //B::Bf();

pFun = (Fun)pVtab[11][2];

cout << " [2] ";

cout << pFun << endl;

cout << "[12] B::ib = ";

cout << *((int*)(&dd)+12) << endl; //B::ib

cout << "[13] B::cb = ";

cout << (char)*((int*)(&dd)+13) <<endl;//B::cb

下面給出運行後的結果（分VC++和GCC兩部份）

GCC 3.4.4

VC++ 2003

[0] B1::_vptr ->

[0] : D::f()

[1] : D::f1()

[2] : B1::Bf1()

[3] : D::f2()

[4] : D::Df()

[5] : 1

[1] B1::ib1 : 11

[2] B1::cb1 : 1

[3] B2::_vptr ->

[0] : D::f()

[1] : D::f2()

[2] : B2::Bf2()

[3] : 0

[4] B2::ib2 : 12

[5] B2::cb2 : 2

[6] D::id : 100

[7] D::cd : D

[8] B::_vptr ->

[0] : D::f()

[1] : B::Bf()

[2] : 0

[9] B::ib : 0

[10] B::cb : B

[11] NULL : 0

[0] D::B1::_vptr->

[0] D::f1()

[1] B1::Bf1()

[2] D::Df()

[3] 00000000

[1] = 0x0013FDC4 該地址取值後是-4

[2] B1::ib1 = 11

[3] B1::cb1 = 1

[4] D::B2::_vptr->

[0] D::f2()

[1] B2::Bf2()

[2] 00000000

[5] = 0x4539260 該地址取值後是-4

[6] B2::ib2 = 12

[7] B2::cb2 = 2

[8] D::id = 100

[9] D::cd = D

[10] = 0x00000000

[11] D::B::_vptr->

[0] D::f()

[1] B::Bf()

[2] 00000000

[12] B::ib = 0

[13] B::cb = B

關於虛擬繼承的運行結果我就不畫圖了（前面的作圖已經讓我產生了很嚴重的厭倦感，所以就偷個懶了，大家見諒了）

在上面的輸出結果中，我用不同的顏色做了一些標明。我們可以看到如下的幾點：

1）無論是GCC還是VC++，除了一些細節上的不同，其大體上的對象佈局是一樣的。也就是說，先是B1（黃色），然後是B2（綠色），接着是D（灰色），而B這個超類（青藍色）的實例都放在最後的位置。

2）關於虛函數表，尤其是第一個虛表，GCC和VC++有很重大的不一樣。但仔細看下來，還是VC++的虛表比較清晰和有邏輯性。

3）VC++和GCC都把B這個超類放到了最後，而VC++有一個NULL分隔符把B和B1和B2的佈局分開。GCC則沒有。

4）VC++中的內存佈局有兩個地址我有些不是很明白，在其中我用紅色標出了。取其內容是-4。接道理來說，這個指針應該是指向B類實例的內存地址（這個做法就是爲了保證重複的父類只有一個實例的技術）。但取值後卻不是。這點我目前還並不太清楚，還向大家請教。

5）GCC的內存佈局中在B1和B2中則沒有指向B的指針。這點可以理解，編譯器可以通過計算B1和B2的size而得出B的偏移量。

結束語

C++這門語言是一門比較複雜的語言，對於程序員來說，我們似乎永遠摸不清楚這門語言揹着我們在幹了什麼。需要熟悉這門語言，我們就必需要了解C++裏面的那些東西，需要我們去了解他後面的內存對象。這樣我們才能真正的瞭解C++，從而能夠更好的使用C++這門最難的編程語言。

在文章束之前還是介紹一下自己吧。我從事軟件研發有十個年頭了，目前是軟件開發技術主管，技術方面，主攻Unix/C/C++，比較喜歡網絡上的技術，比如分佈式計算，網格計算，P2P，Ajax等一切和互聯網相關的東西。管理方面比較擅長於團隊建設，技術趨勢分析，項目管理。歡迎大家和我交流，我的MSN和Email是：[email protected]

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