c++对象模型05：虚继承内存布局

虚继承

虚继承解决了菱形继承中最派生类拥有多个间接父类实例的情况。虚继承的派生类的内存布局与普通继承很多不同，主要体现在：

虚继承的派生类，如果定义了新的虚函数，则编译器为其生成一个虚函数指针（vptr）以及一张虚函数表。该vptr位于对象内存最前面。（非虚继承时，派生类新的虚函数直接扩展在基类虚函数表的下面。）
虚继承的派生类有单独的虚函数表，基类也有单独的虚函数表，两部分之间用一个四个字节的0x00000000来作为分界。
虚继承的派生类对象中，含有四字节的虚基表指针。

在C++对象模型中，虚继承而来的派生类会生成一个隐藏的虚基类指针（vbptr），在Microsoft Visual C++中，虚基类表指针总是在虚函数表指针之后，因而，对某个类实例来说，如果它有虚基类指针，那么虚基类指针可能在实例的0字节偏移处（该类没有vptr时，vbptr就处于类实例内存布局的最前面，否则vptr处于类实例内存布局的最前面），也可能在类实例的4字节偏移处。
一个类的虚基类指针指向的虚基类表，与虚函数表一样，虚基类表也由多个条目组成，条目中存放的是偏移值。第一个条目存放虚基类表指针（vbptr）所在地址到该类内存首地址的偏移值，由上面的分析我们知道，这个偏移值为0（类没有vptr）或者-4（类有虚函数，此时有vptr）。虚基类表的第二、第三…个条目依次为该类的最左虚继承父类、次左虚继承父类…的内存地址相对于虚基类表指针的偏移值。我们通过一张图来更好地理解。

代码

class B{public:int ib;public:B(int i = 1) :ib(i) {}virtual void f() { cout << "B::f()" ; }virtual void Bf() { cout << "B::Bf()" ; }};class B1 : virtual public B{public:int ib1;public:B1(int i = 100) :ib1(i) {}virtual void f() { cout << "B1::f()" ; }virtual void f1() { cout << "B1::f1()" ; }virtual void Bf1() { cout << "B1::Bf1()" ; }};

对象模型

代码演示

typedef void(*Fun)(void);
int main()
{B1 a;cout << "B1对象内存大小为：" << sizeof(a) << endl;//取得B1的虚函数表cout << "[0]B1::vptr";cout << "\t地址：" << (int*)(&a) << endl;//输出虚表B1::vptr中的函数for (int i = 0; i < 2; ++i){cout << "  [" << i << "]";Fun fun1 = (Fun) * ((int*)*(int*)(&a) + i);fun1();cout << "\t地址：\t" << *((int*)*(int*)(&a) + i) << endl;}//[1]cout << "[1]vbptr ";cout << "\t地址：" << (int*)(&a) + 1 << endl;  //虚表指针的地址//输出虚基类指针条目所指的内容for (int i = 0; i < 2; i++){cout << "  [" << i << "]";cout << *(int*)((int*)*((int*)(&a) + 1) + i);cout << endl;}//[2]cout << "[2]B1::ib1=" << *(int*)((int*)(&a) + 2);cout << "\t地址：" << (int*)(&a) + 2;cout << endl;//[3]cout << "[3]值=" << *(int*)((int*)(&a) + 3);cout << "\t\t地址：" << (int*)(&a) + 3;cout << endl;//[4]cout << "[4]B::vptr";cout << "\t地址：" << (int*)(&a) + 4 << endl;//输出B::vptr中的虚函数for (int i = 0; i < 2; ++i){cout << "  [" << i << "]";Fun fun1 = (Fun) * ((int*)*((int*)(&a) + 4) + i);fun1();cout << "\t地址:\t" << *((int*)*((int*)(&a) + 4) + i) << endl;}//[5]cout << "[5]B::ib=" << *(int*)((int*)(&a) + 5);cout << "\t地址: " << (int*)(&a) + 5;cout << endl;
}

结果

这个结果与我们的C++对象模型图完全符合。这时我们可以来分析一下虚表指针的第二个条目值12的具体来源了，回忆上文讲到的：

第二、第三…个条目依次为该类的最左虚继承父类、次左虚继承父类…的内存地址相对于虚基类表指针的偏移值。

在我们的例子中，也就是B类实例内存地址相对于vbptr的偏移值，也即是：[4]-[1]的偏移值，结果即为12，从地址上也可以计算出来：00F8FDE4-00F8FDD8结果的十进制数是12。现在，我们对虚基类表的构成应该有了一个更好的理解。

菱形继承

class B{public:int ib;public:B(int i = 1) :ib(i) {}virtual void f() { cout << "B::f()" << endl; }virtual void Bf() { cout << "B::Bf()" << endl; }};class B1 : virtual public B{public:int ib1;public:B1(int i = 100) :ib1(i) {}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;public:B2(int i = 1000) :ib2(i) {}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;public:D(int i = 10000) :id(i) {}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; }};

菱形虚拟继承下，最派生类D类的对象模型又有不同的构成了。在D类对象的内存构成上，有以下几点：

在D类对象内存中，基类出现的顺序是：先是B1（最左父类），然后是B2（次左父类），最后是B（虚祖父类）。
D类对象的数据成员id放在B类前面，两部分数据依旧以0来分隔。
编译器没有为D类生成一个它自己的vptr，而是覆盖并扩展了最左父类的虚基类表，与简单继承的对象模型相同。
共同虚基类B的内容放到了派生类对象D内存布局的最后。

代码演示

typedef void(*Fun)(void);
int main()
{D d;cout << "D对象内存大小为：" << sizeof(d) << endl;//取得B1的虚函数表cout << "[0]B1::vptr";cout << "\t地址：" << (int*)(&d) << endl;//输出虚表B1::vptr中的函数for (int i = 0; i < 3; ++i){cout << "  [" << i << "]";Fun fun1 = (Fun) * ((int*)*(int*)(&d) + i);fun1();cout << "\t地址：\t" << *((int*)*(int*)(&d) + i) << endl;}//[1]cout << "[1]B1::vbptr ";cout << "\t地址：" << (int*)(&d) + 1 << endl;  //虚表指针的地址//输出虚基类指针条目所指的内容for (int i = 0; i < 2; i++){cout << "  [" << i << "]";cout << *(int*)((int*)*((int*)(&d) + 1) + i);cout << endl;}//[2]cout << "[2]B1::ib1=" << *(int*)((int*)(&d) + 2);cout << "\t地址：" << (int*)(&d) + 2;cout << endl;//[3]cout << "[3]B2::vptr";cout << "\t地址：" << (int*)(&d) + 3 << endl;//输出B2::vptr中的虚函数for (int i = 0; i < 2; ++i){cout << "  [" << i << "]";Fun fun1 = (Fun) * ((int*)*((int*)(&d) + 3) + i);fun1();cout << "\t地址:\t" << *((int*)*((int*)(&d) + 3) + i) << endl;}//[4]cout << "[4]B2::vbptr ";cout << "\t地址：" << (int*)(&d) + 4 << endl;  //虚表指针的地址//输出虚基类指针条目所指的内容for (int i = 0; i < 2; i++){cout << "  [" << i << "]";cout << *(int*)((int*)*((int*)(&d) + 4) + i);cout << endl;}//[5]cout << "[5]B2::ib2=" << *(int*)((int*)(&d) + 5);cout << "\t地址: " << (int*)(&d) + 5;cout << endl;//[6]cout << "[6]D::id=" << *(int*)((int*)(&d) + 6);cout << "\t地址: " << (int*)(&d) + 6;cout << endl;//[7]cout << "[7]值=" << *(int*)((int*)(&d) + 7);cout << "\t\t地址：" << (int*)(&d) + 7;cout << endl;//间接父类//[8]cout << "[8]B::vptr";cout << "\t地址：" << (int*)(&d) + 8 << endl;//输出B::vptr中的虚函数for (int i = 0; i < 2; ++i){cout << "  [" << i << "]";Fun fun1 = (Fun) * ((int*)*((int*)(&d) + 8) + i);fun1();cout << "\t地址:\t" << *((int*)*((int*)(&d) + 8) + i) << endl;}//[9]cout << "[9]B::id=" << *(int*)((int*)(&d) + 9);cout << "\t地址: " << (int*)(&d) + 9;cout << endl;getchar();
}

数据成员如何访问（直接取址）

跟实际对象模型相关联，根据对象起始地址+偏移量取得。

函数成员如何访问（间接取址）

跟实际对象模型相关联，普通函数（nonstatic、static）根据编译、链接的结果直接获取函数地址；如果是虚函数根据对象模型，取出对于虚函数地址，然后在虚函数表中查找函数地址。

多态如何实现?

多态（Polymorphisn）在C++中是通过虚函数实现的。如果类中有虚函数，编译器就会自动生成一个虚函数表，对象中包含一个指向虚函数表的指针。能够实现多态的关键在于：虚函数是允许被派生类重写的，在虚函数表中，派生类函数对覆盖（override）基类函数。除此之外，还必须通过指针或引用调用方法才行，将派生类对象赋给基类对象。

为什么析构函数设为虚函数是必要的

析构函数应当都是虚函数，除非明确该类不做基类（不被其他类继承）。基类的析构函数声明为虚函数，这样做是为了确保释放派生对象时，按照正确的顺序调用析构函数。

如果析构函数不定义为虚函数，那么派生类就不会重写基类的析构函数，在有多态行为的时候，派生类的析构函数不会被调用到（有内存泄漏的风险！）。例如，通过new一个派生类对象，赋给基类指针，然后delete基类指针，缺少了派生类的析构函数调用。把析构函数声明为虚函数，调用就正常了。