C++虚继承中的虚基类表

虚继承主要解决多重继承会在子类中存在多份拷贝的问题，这不仅浪费空间，而且存在二义性。

在之前的 C++ 继承中已经说过虚继承基本概念，这里不再赘述。这篇文章主要探究虚继承的原理。文章中多处给出了类实例对象的内存布局，查看其内存布局时，使用 VS 工具 /d1 reportAllClassLayout 进行查看，关于这个工具的详细介绍，请点击这里。

虚继承的实现原理

虚继承的底层实现一般与编译器相关，一般会通过虚基类表指针和虚基类表实现，先看如下这个程序：

#pragma pack(1)class A
{public:int a;
};class B : virtual public A
{public:int b;
};class C : virtual public A
{public:int c;
};

其内存布局图如下所示：

> cl /d1 reportSingleClassLayoutB CppTest.cpp
class B size(12):+---0      | {vbptr}4      | b+---+--- (virtual base A)8      | a+---B::$vbtable@:0      | 01      | 8 (Bd(B+0)A)
vbi:       class  offset o.vbptr  o.vbte fVtorDispA       8       0       4 0
----------------------------------------------------
> cl /d1 reportSingleClassLayoutC CppTest.cpp
class C size(12):+---0      | {vbptr}4      | c+---+--- (virtual base A)8      | a+---C::$vbtable@:0      | 01      | 8 (Cd(C+0)A)
vbi:       class  offset o.vbptr  o.vbte fVtorDispA       8       0       4 0

从中可以看出，每个虚继承的子类都有一个虚基类表指针 vbptr（virtual base table pointer，占用一个指针的大小，32 位下为4字节，64 位为 8 字节）和该指针指向一个虚基类表（额外的空间，不占用实例对象的空间），上面的程序中 B 虚继承 A，那么 B 类中将会有一个虚基类表指针 vbptr，C 类虚继承 A 类，也是一样。该 vbptr 指针指向一个虚基类表，关于虚基类表下面再详细说。

现在我们再看一个例子：

#pragma pack(1)class A
{public:int a;
};class B : virtual public A
{public:int b;
};class C : virtual public A
{public:int c;
};class D : public B, public C
{public:int d;
};

这次我们使用类 D 多重继承类 B 和类 C（B 和 C 都是虚继承 A），看一下内存布局图：

> cl /d1 reportSingleClassLayoutD CppTest.cpp
class D size(24):+---0      | +--- (base class B)0      | | {vbptr}4      | | b| +---8      | +--- (base class C)8      | | {vbptr}
12      | | c| +---
16      | d+---+--- (virtual base A)
20      | a+---D::$vbtable@B@:0      | 01      | 20 (Dd(B+0)A)D::$vbtable@C@:0      | 01      | 12 (Dd(C+0)A)
vbi:       class  offset o.vbptr  o.vbte fVtorDispA      20       0       4 0

需要强调的是，虚基类依旧会在子类中存在拷贝，但仅仅只存在一份；我们看到虚基类 A 仅仅在类 D 的实例对象中存在一份，也就是上面内存布局里的 virtual base A。当继承的子类被当作父类继承时，虚基类表指针也会被继承；我们上面已经测试过 B 虚继承 A，C 虚继承 A 都会在各自的实例对象中多出一个虚基类表指针 vbptr 指向一个虚基类表，现在 D 类继承与 B 类和 C 类，其类中的虚基类表指针也会被继承。我们也可以从上面的内存布局中看到 D 中类 B 和类 C 中都没有类 A 的成员而是都多了一个虚基类表指针 vbptr，而且类 D 中只有一份虚基类 A 的成员，所以奥秘就在类 B 和类 C 中的虚基类表指针 vbptr 上。

我们再看类 B 和类 C 的虚基类表的结构，该表中记录了虚基类 A 与本类的偏移地址，因为现在虚基类 A 在类 D 的实例对象中只能存在一份，所以类 B 和类 C 中只要通过虚基类表中给的偏移量访问就能访问到虚基类 A。上面的内存布局中，仅存的一份虚基类 A 的地址相较于类 D 的实例对象的首地址偏移量为 20，而类 B 的 vbptr 相较于类 D 的实例对象的首地址偏移量为 0，所以类 B 中想要访问虚基类 A 需要偏移 20 个字节，所以虚基类表中记录的与虚基类 A 的偏移量为 20，而类 C 的访问虚基类 A 的偏移量为 12，也是同样可以这样计算出来。这样就可以找到虚基类 A 的数据成员，而且类 B 和类 C 对虚基类 A 的数据的修改都是在同一地址，这样就不用像普通菱形继承那样维持着公共基类（也就是这里说的虚基类）的两份同样的拷贝了，同时也能节省一点空间。

我们可以联系到多态中虚函数表，这两者有一定的相似之处，不过虚基类表存储的时虚基类相对当前实例对象的偏移，而虚函数表则存储的是虚函数地址。

到这里，关于虚基类表的探究就已经结束了，我们对虚继承的原理也有了一定的认识，还可以自己在程序中访问虚基类表，其基本思路如下：

D* d = new D;
std::cout << "[0] ->" << *(int*)(*(int*)d) << std::endl;
std::cout << "[1] ->" << *(((int*)(*(int*)d)) + 1)<< std::endl; // 偏移量20
std::cout << "b value  : " << *((int*)d + 1) << std::endl;
std::cout << "[0] ->" << *(int*)(*((int*)d + 2)) << std::endl;
std::cout << "[1] ->" << *((int*)(*((int*)d + 2)) + 1) << std::endl; // 偏移量12
std::cout << "c value  : " << *((int*)d + 3) << std::endl;
std::cout << "d value  : " << *((int*)d + 4) << std::endl;
std::cout << "a value  : " << *((int*)d + 5) << std::endl;

参考：
C++ 虚继承实现原理（虚基类表指针与虚基类表）
【C++拾遗】从内存布局看C++虚继承的实现原理

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