C++對象模型：單繼承，多繼承，虛繼承

什么是對象模型

有兩個概念可以解釋C++對象模型：

語言中直接支持面向對象程序設計的部分。
對於各種支持的底層實現機制。

類中成員分類

數據成員分為靜態和非靜態，成員函數有靜態非靜態以及虛函數

class data members：static和nonstatic

class data functions：static、nonstatic和virtual

比如：

class Base
{
public:
 
    Base(int i) :baseI(i){};
  
    int getI(){ return baseI; }
 
    static void countI(){};
 
    virtual void print(void){ cout << "Base::print()"; }

    virtual ~Base(){}
 
private:
 
    int baseI;
 
    static int baseS;
};

對象模型分類

簡單對象模型：這個模型非常地簡單粗暴。在該模型下，對象由一系列的指針組成，每一個指針都指向一個數據成員或成員函數，也即是說，每個數據成員和成員函數在類中所占的大小是相同的，都為一個指針的大小。這樣有個好處——很容易算出對象的大小，不過賠上的是空間和執行期效率。所以這種對象模型並沒有被用於實際產品上。

表格驅動對象模型：把類中的數據分成了兩個部分：數據部分與函數部分，並使用兩張表格，一張存放數據本身，一張存放函數的地址（也即函數比成員多一次尋址），而類對象僅僅含有兩個指針，分別指向上面這兩個表。這樣看來，對象的大小是固定為兩個指針大小。這個模型也沒有用於實際應用於真正的C++編譯器上。

C++對象模型：正在使用的

在此模型下，nonstatic 數據成員被置於每一個類對象中，而static數據成員被置於類對象之外。static與nonstatic函數也都放在類對象之外，而對於virtual 函數，則通過虛函數表+虛指針來支持：

1. 每個類生成一個表格，稱為虛表（virtual table，簡稱vtbl）。虛表中存放着一堆指針，這些指針指向該類每一個虛函數。虛表中的函數地址將按聲明時的順序排列
2. 每個類對象都擁有一個虛表指針(vptr)，由編譯器為其生成。虛表指針的設定與重置皆由類的復制控制（也即是構造函數、析構函數、賦值操作符）來完成。vptr的位置為編譯器決定，傳統上它被放在所有顯示聲明的成員之后，不過現在許多編譯器把vptr放在一個類對象的最前端（也就是說對象的地址就是vptr的地址）
3. 虛函數表的前面設置了一個指向type_info的指針，用以支持RTTI（Run Time Type Identification，運行時類型識別）。RTTI是為多態而生成的信息，包括對象繼承關系，對象本身的描述等，只有具有虛函數的對象在會生成。

單繼承（父類含虛函數）

原則：

對普通單繼承而言

1. 子類與父類擁有各自的一個虛函數表
2. 若子類並無overwrite父類虛函數，用父類虛函數
3. 若子類重寫（overwrite）了父類的虛函數，則子類虛函數將覆蓋虛表中對應的父類虛函數
4. 若子聲明了自己新的虛函數，則該虛函數地址將擴充到虛函數表最后

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void fun1(){ cout << "Base fun1" << endl; }
    virtual void fun2(){ cout << "Base fun2" << endl; }
private:
    int a;
};

class Derive :  public Base
{
public:
    void fun2(){ cout << "Derive fun2" << endl; }
    virtual void fun3(){}
private:
    int b;
};

int main()
{
    Base b;
    Derive d;
    Base *p = &d;
    p->fun1();
    p->fun2();

    system("pause");
    return 0;
}

輸出：

 

調試：

 

對象模型：

事實上vs調試並不能看到完整信息（比如virtual fun3以及之后提到到虛基類指針），正確的應該是

一般多繼承

這里講的是不考慮菱形繼承的多繼承，因為菱形繼承需要用到虛繼承，放到之后考慮

原則：

1. 若子類新增虛函數，放在聲明的第一個父類的虛函數表中
2. 若子類重寫了父類的虛函數，所有父類的虛函數表都要改變：如fun1
3. 內存布局中，父類按照其聲明順序排列
   

#include <iostream>
using namespace std;

class Base1
{
public:
    virtual void fun1(){}
private:
    int m_base1;
};

class Base2
{
public:
    virtual void fun1(){}
    virtual void fun2(){}
private:
    int m_base2;
};

class Derive :  public Base1,public Base2
{
public:
    void fun1(){}
    virtual void fun3(){}
private:
    int m_derive;
};

int main()
{
    Base1 b1;
    Base2 b2;
    Derive d;

    cout <<"b1:" <<sizeof(b1) << endl;
    cout << "b2:" << sizeof(b2) << endl;
    cout <<"d:" << sizeof(d) << endl;
    system("pause");
    return 0;
}

輸出：

各個類對象的大小

調試：注意觀察fun1

對象模型：

簡單虛繼承

原則：

虛繼承解決了菱形繼承中最派生類擁有多個間接父類實例的情況

1. 虛繼承的子類，如果本身定義了新的虛函數，則編譯器為其生成一個新的虛函數指針（vptr）以及一張虛函數表。該vptr位於對象內存最前面（對比非虛繼承：直接擴展父類虛函數表）
2. 虛繼承的子類也單獨保留了父類的vprt與虛函數表
3. 虛繼承的子類有虛基類表指針（vbptr）

在C++對象模型中，虛繼承而來的子類會生成一個隱藏的虛基類指針（vbptr），在Microsoft Visual C++中，虛基類表指針總是在虛函數表指針之后，因而，對某個類實例來說，如果它有虛基類指針，那么虛基類指針可能在實例的0字節偏移處（該類沒有vptr時，vbptr就處於類實例內存布局的最前面，否則vptr處於類實例內存布局的最前面），也可能在類實例的4字節偏移處。

 

虛基類表也由多個條目組成，條目中存放的是偏移值。

第一個條目存放虛基類表指針（vbptr）所在地址到該類內存首地址的偏移值

第二、第三...個條目依次為該類的最左虛繼承父類、次左虛繼承父類...的內存地址相對於虛基類表指針的偏移值。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void fun1(){}
    virtual void fun2(){}
private:
    int m_base;
};

class Derive : virtual public Base
{
public:
    void fun1(){}
    virtual void fun3(){}
private:
    int m_derive;
};

int main()
{
    Base b;
    Derive d;

    system("pause");
    return 0;
}

對象模型：

 

菱形虛繼承

菱形虛繼承是多繼承和虛繼承的復合，直接畫一個對象模型吧：

筆記原圖：

參考：圖說C++對象模型：對象內存布局詳解