鑽石型虛擬多重繼承的C++對象內存模型

關於C++對象內存布局的資料和書籍也有很多，比如陳皓老師的博客：

1、C++對象的內存布局（上）

2、C++對象的內存布局（下）

白楊：

RTTI、虛函數和虛基類的實現方式、開銷分析及使用指導

左手為你畫猜：

C++類對象內存模型與成員函數調用分析（上、中、下）

關於講解C++對象內存模型最好的書應該是侯捷老師翻譯的《深度探索C++對象內存模型》。

這兩天在看其他書籍時，對C++中虛擬繼承的實現機制不太理解，於是又重新翻回《深度探索C++對象內存模型》一書，並結合C++對象的內存布局（下）一文。在Visual Studio 2010下用“cl”編譯器進行測試，查看虛擬多重繼承下的C++對象內存模型。總結如下：

一、重復繼承

所謂重復繼承，即某個基類被間接地重復繼承了多次。為方便對比說明，下面的代碼采用了陳皓老師博客中C++類例子。

UML類圖如下：

類繼承的源代碼如下，直接采用C++對象的內存布局（下）中的例子，相關解釋已在原博客中詳細說明，故在此不再贅述：

#include <iostream>
using namespace std;

class B
{
public:
    int ib;
    char cb;
public:
    B():ib(0),cb('B')
    {}
    virtual void f()
    {
        cout<<"B::f()"<<endl;
    }
    virtual void Bf()
    {
        cout<<"B::Bf()"<<endl;
    }
};

class B1:public B
{
public:
    int ib1;
    char cb1;
public:
    B1():ib1(01),cb1('1'){}

    virtual void f()
    {
        cout<<"B1::f()"<<endl;
    }
    virtual void f1()
    {
        cout<<"B1::f1()"<<endl;
    }
    virtual void Bf1()
    {
        cout<<"B1::Bf1()"<<endl;
    }
};

class B2:public B
{
public:
    int ib2;
    char cb2;
public:
    B2():ib2(10),cb2('2'){}
    virtual void f()
    {
        cout<<"B2::f()"<<endl;
    }
    virtual void f2()
    {
        cout<<"B2::f2()"<<endl;
    }
    virtual void Bf2()
    {
        cout<<"B2::Bf2()"<<endl;
    }
};

class D: public B1, public B2
{
public:
    int id;
    char cd;
public:
    D():id(100),cd('D'){}

    virtual void f()
    {
        cout<<"D::f()"<<endl;
    }
    virtual void f1()
    {
        cout<<"D::f1()"<<endl;
    }
    virtual void f2()
    {
        cout<<"D::f2()"<<endl;
    }
    virtual void Df()
    {
        cout<<"D::Df()"<<endl;
    }

};
int main(int argc, char *argv[])
{
    D d;
    system("pause");
    return 0;
}

在陳皓老師博客中，直接利用函數指針調用C++對象起始位置處虛函數表指針指向的虛函數表中的虛函數，以查看C++對象的內存模型。下面我們主要采用Visual Studio 2010 和 Visual C++下的“cl”編譯器查看C++對象內存模型。

在Visual Studio 2010 IDE開發環境中，我們查看派生類D對象的內存模型。如下圖所示：

  

從上兩圖我們可以基本看出：

1、派生類D對象d的內存布局中，由其基類依次組裝而成，再加上派生類自己的成員變量。

2、其中基類布局依次按照在派生類中的聲明順序排列。

3、每個基類都有自己的虛函數表，指向虛函數表的指針_vfptr放置在最前面的位置。

為了再進一步了解重復繼承中的C++對象內存模型，我們采用Visual C++下的“cl”編譯器進行查看。

在“Microsoft Visual C++”的編譯環境中，我們可以利用編譯器“cl”、鏈接器“link”、可執行文件查看器“dumpbin”來查看Windows下可執行文件（COFF格式）的變量、函數怎么存儲。

“cl”即Visual C++ 的編譯器，即“Compiler”的縮寫。在Visual Studio 2010安裝完后，會有一個批處理文件用來建立運行這些工具所需要的環境。它位於開始/程序/Microsoft Visual Studio 2010/Visual Studio Tools/Viusual Studio 2010 Command Prompt,這樣我們就可以利用命令行使用VC++的編譯器了。

在“cl”編譯器中有個編譯選項可以查看C++類的內存布局，使用如下：打開Visual Studio的命令行提示符即Viusual Studio 2010 Command Prompt，按如下格式輸入：

>cl [.cpp] /d1reportSingleClassLayout[classname]

d1reportSingleClassLayout可以查看源文件中所有類及結構體的內存布局，classname為類名，/d1reportSingleClassLayout[classname]之間沒有空格。使用如下圖所示：

使用cl編譯器查看重復繼承中的C++對象內存模型結果如下圖所示：

 從上圖可以看出，編譯器在實現時使用了字節對齊（Alignment），以實現在對象內存中存取更有效率。字節對齊就是將數值調整到某數的整數倍，在32位計算機中，通常Alignment為4bytes，以使bus的“運輸量”達到最高效率。

可以看出，派生類D對象在內存中占有44個字節。

 重復繼承中的C++對象內部模型用圖片表示如下：

從圖中可以看出，在派生類D中，存在着兩份基類B的成員實例，分別為ib和cb，所以在C++對象的內存布局（下）指出這樣可能會出現二義性編譯錯誤。我們可以指定類作用域符::進行限定來消除二義性，也可以在語言層面利用虛擬繼承機制來解決。

二、鑽石型多重虛擬繼承

 在《深度探索C++對象模型》中提到：一個virtual base class subobject只會在derived class中存在一份實體，不管它在class繼承體系中出現多少次！

因此，虛擬繼承的就是為了解決重復繼承中多個間接父類的問題。鑽石型的結構就是最經典的虛擬多重繼承結構。

UML類圖如下：

 

 

如上圖，讓B1和B2各自維護的一個B子對象，折疊成一個由D維護的單一的B子對象，並且還可以保存基類和派生類的指針之間的多態指定操作，這對於編譯器實現來說，難度非常高。《深度探索C++對象模型》提到一般的實現方法如下所述：將D對象分割為兩部分，一個不變局部和一個共享局部。不變局部中的數據，不管后繼如何衍化，總是擁有固定的偏移量，所以這一部分數據可以被直接存取，至於共享局部，所表現的就是虛擬繼承的基類子對象，這一部分的數據，其位置會因為每次的派生操作而有變化，所以它們是間接存取。

所以，一般的布局策略是安排好派生類對象的不變部分，然后再建立其共享部分。在接下來的分析可以看出，VC++編譯器實現中，在每一個派生類對象中插入一些指針vbptr，每個指針指向一個虛擬繼承的基類子對象。要存取繼承得來的基類子對象，可以使用相關指針間接完成。

要實現虛擬繼承，我們只需要在B1和B2繼承B的語法中加入virtual關鍵字即可。實現代碼如下：

 

#include <iostream>
using namespace std;

class B
{
public:
    int ib;
    char cb;
public:
    B():ib(0),cb('B')
    {}
    virtual void f()
    {
        cout<<"B::f()"<<endl;
    }
    virtual void Bf()
    {
        cout<<"B::Bf()"<<endl;
    }
};

class B1:virtual public B
{
public:
    int ib1;
    char cb1;
public:
    B1():ib1(01),cb1('1'){}

    virtual void f()
    {
        cout<<"B1::f()"<<endl;
    }
    virtual void f1()
    {
        cout<<"B1::f1()"<<endl;
    }
    virtual void Bf1()
    {
        cout<<"B1::Bf1()"<<endl;
    }
};

class B2:virtual public B
{
public:
    int ib2;
    char cb2;
public:
    B2():ib2(10),cb2('2'){}
    virtual void f()
    {
        cout<<"B2::f()"<<endl;
    }
    virtual void f2()
    {
        cout<<"B2::f2()"<<endl;
    }
    virtual void Bf2()
    {
        cout<<"B2::Bf2()"<<endl;
    }
};

class D: public B1, public B2
{
public:
    int id;
    char cd;
public:
    D():id(100),cd('D'){}

    virtual void f()
    {
        cout<<"D::f()"<<endl;
    }
    virtual void f1()
    {
        cout<<"D::f1()"<<endl;
    }
    virtual void f2()
    {
        cout<<"D::f2()"<<endl;
    }
    virtual void Df()
    {
        cout<<"D::Df()"<<endl;
    }

};
int main(int argc, char *argv[])
{
    D d;
    system("pause");
    return 0;
}

 

使用cl編譯器查看鑽石型虛擬重復繼承中的C++對象內存模型結果如下圖所示：

 

 

從上圖可以看出，虛擬重復繼承中的派生類D對象在內存中占有52字節，比之前多了8個字節。

 虛擬重復繼承中的C++對象內部模型用圖片表示如下：

 

從圖中可以看出，VC++編譯器在實現虛擬繼承時，在派生類的對象中安插了兩個vbptr指針。因此，對每個繼承自虛基類的類實例，將增加一個隱藏的“虛基類表指針”（vbptr）成員變量，從而達到間接計算虛基類位置的目的。該變量指向一個全類共享的偏移量表，表中項目記錄了對於該類而言，“虛基類表指針”與虛基類之間的偏移量。由上可以看出，B1虛基類表指針vbptr與虛基類B之間的偏移量是40字節，B2虛基類表指針vbptr與虛基類B之間的偏移量是24字節。第一項中-4的含義：表示的是vptr和vbptr的距離，如果B1中沒有虛函數的定義，這個地方就會是0。vbptr就是存放在vptr下面的位置。

我們注意到在虛擬繼承的C++對象內存布局中，還有一個4個字節的vtordisp字段，vtordisp在MSDN中這樣解釋：

Enables the addition of the hidden vtordisp construction/destruction displacement member. The vtordisp pragma is applicable only to code that uses virtual bases. If a derived class overrides a virtual function that it inherits from a virtual base class, and if a constructor or destructor for the derived class calls that function using a pointer to the virtual base class, the compiler may introduce additional hidden “vtordisp” fields into classes with virtual bases.

也就是說如果虛擬繼承中派生類重寫了基類的虛函數，並且在構造函數或者析構函數中使用指向基類的指針調用了該函數，編譯器會為虛基類添加vtordisp域。

但在本例中，vtordisp為什么存在於C++派生類對象中，對象如何使用它，我卻不得而知，希望向大家請教。

至此，我們已經分析完在VC++編譯器實現中的重復繼承和鑽石型虛擬重復繼承的C++對象內存模型。這篇博客也花了大概4個小時，時間挺久，但非常值得，希望大家多多指教。

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