潘凯:C++对象布局及多态实现的探索(九)

　　菱形结构的虚继承

　　这次我们看看菱形结构的虚继承。虚继承的引入本就是为了解决复杂结构的继承体系问题。上一篇我们在讨论虚继承时用的是一个简单的继承结构，只是为了打个铺垫。
　　我们先看看这几个类，这是一个典型的菱形继承结构。C100和C101通过虚继承共享同一个父类C041。C110则从C100和C101多重继承而来。
struct C041
{
C041() : c_(0x01) {}
virtual void foo() { c_ = 0x02; }
char c_;
};
struct C100 : public virtual C041
{
C100() : c_(0x02) {}
char c_;
};
struct C101 : public virtual C041
{
C101() : c_(0x03) {}
char c_;
};
struct C110 : public C100, public C101
{
C110() : c_(0x04) {}
char c_;
};
　　运行如下代码：
PRINT_SIZE_DETAIL(C110)
　　结果为：
The size of C110 is 16
The detail of C110 is 28 c3 45 00 02 1c c3 45 00 03 04 18 c3 45 00 01
　　我们可以象上一篇一样，画出对象的内存布局。
|C100,5 |C101,5 |C110,1 |C041,5 |
|ospt,4,11 |m,1 |ospt,4,6 |m,1 |m,1 |vtpt,4 |m1 |
　　(注：为了不折行，我用了缩写。ospt代表偏移值指针、m代表成员变量、vtpt代表虚表指针。第一个数字是该区域的大小，即字节数。只有偏移值指针有第二个数字，第二个数字就是偏移值指针指向的偏移值的大小。)
　　可以看到对象的内存布局中只有一个C041，即祖父类的部分只有一份，且放在最后面。这就是菱形继承。对比前面几篇的讨论，我们可以知道，如果没有用虚继承机制，那么在C041对象的内存布局中会出现两份C041部分，这也就是所谓的V型继承。相应的对象布局为：C041+C100+C041+C101+C110。在V型继承中是不能直接从C110，即孙子类，直接转型到C041，即祖父类的。因为在对象的布局中有两份祖父类的实体，一份从C100而来，一份从C101而来。编译器在决议时会存在二义性，它不知道转型后到底用哪一份实体。虽然可以通过先转型到某一父类，然后再转型到祖父类来解决。但使用这种方法时，如果改写了祖父类的成员变量的内容，runtime是不会同步两个祖父类实体的状态，因此可能会有语义错误。
　　我们再分析一下上面的内存布局。普通继承的布局，顶层类在前面。多重继承时则按从左到右的顺序排。从C100和C101到C110的继承是普通继承，所以遵循这个原则，先是左父类再右父类，接下去是子类。而虚继承则要求将共享的父类放到整个对象布局的最后(即使虚父类没有被真正的共享也是如此，前在一篇的C020类就是这样。不知道打开优化开关后会不会有变化。)所以在上例中的祖父类也是被置于最后的。
　　我们再看看对成员的访问情况。运行以下代码并查看相应的汇编代码。
C110 c110;
c110.c_ = 0x51;
c110.C100::c_ = 0x52;
c110.C101::c_ = 0x52;
c110.C041::c_ = 0x53;
c110.foo();
　　对应的汇编代码为：
01 00423993 push 1
02 00423995 lea ecx,[ebp+FFFFF7F0h]
03 0042399B call 0041DE60
04 004239A0 mov byte ptr [ebp+FFFFF7FAh],51h
05 004239A7 mov byte ptr [ebp+FFFFF7F4h],52h
06 004239AE mov byte ptr [ebp+FFFFF7F9h],52h
07 004239B5 mov eax,dword ptr [ebp+FFFFF7F0h]
08 004239BB mov ecx,dword ptr [eax+4]
09 004239BE mov byte ptr [ebp+ecx+FFFFF7F4h],53h
10 004239C6 mov eax,dword ptr [ebp+FFFFF7F0h]
11 004239CC mov ecx,dword ptr [eax+4]
12 004239CF lea ecx,[ebp+ecx+FFFFF7F0h]
13 004239D6 call 0041DF32
　　前3行是对象的初始化，调用了对象的构造函数。4、5、6行是对子类、左右父类的成员变量的赋值。我们可以看到是直接写的，因为这一层的继承是普通继承。第7、8、9行是对祖父类成员变量的赋值，和上篇讨论过的一样，是通过偏移值指针指向的偏移值来间接访问的。最后的4行指令是对成员函数的调用。我们可以看到调用的函数地址是直接给出的(最后一行)，因为我们是通过对象来调用，即使是虚函数调用也不会有多态的行为。但是得到this指针的方式却是颇为间接，即第10、11、12行。因为这个函数在祖父类中定义，那么它操作的数据成员应该是祖父类的。因此编译器要调整this指针的位置。而祖父类又是被虚继承，因此要通过偏移值指针指向的偏移值来进行调整。
　　再观察一下第9行和第12行，可以看到计算出来的地址值是不一样的。这是因为第9行为给祖父类的成员变量赋值，而祖父类中有虚表指针存在，所以在得到对象的起始地址后，编译器给它加了4字节的偏移量以跳过虚指针。实际的得到地址的运算为：[ebp+ecx+FFFFF7F0h+4h]，编译器在生成代码时会直接把最后一步运算做掉。

　　(未完待续)

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