虚拟多重继承的C++对象内存模型
虚拟多重继承的C++对象内存模型
关于C++对象内存布局的资料和书籍也有很多，比如陈皓老师的博客：
1、C++对象的内存布局（上）
2、C++对象的内存布局（下）
白杨：
RTTI、虚函数和虚基类的实现方式、开销分析及使用指导
左手为你画猜：
C++类对象内存模型与成员函数调用分析（上、中、下）
关于讲解C++对象内存模型最好的书应该是侯捷老师翻译的《深度探索C++对象内存模型》。
这两天在看其他书籍时，对C++中虚拟继承的实现机制不太理解，于是又重新翻回 《深度探索C++对象内存模型》一书，并结合 C++对象的内存布局（下） 一文。在Visual Studio 2010下用“cl”编译器进行测试，查看虚拟多重继承下的C++对象内存模型。总结如下：
一、重复继承
所谓重复继承，即某个基类被间接地重复继承了多次。为方便对比说明，下面的代码采用了陈皓老师博客中C++类例子。
UML类图如下：
类继承的源代码如下，直接采用 C++对象的内存布局（下） 中的例子，相关解释已在原博客中详细说明，故在此不再赘述：
1 #include <iostream>
2 using namespace std;
3
4 class B
5 {
6 public :
7 int ib;
8 char cb;
9 public :
10 B():ib( 0 ),cb( ' B ' )
11 {}
12 virtual void f()
13 {
14 cout<< " B::f() " << endl;
15 }
16 virtual void Bf()
17 {
18 cout<< " B::Bf() " << endl;
19 }
20 };
21
22 class B1: public B
23 {
24 public :
25 int ib1;
26 char cb1;
27 public :
28 B1():ib1( 01 ),cb1( ' 1 ' ){}
29
30 virtual void f()
31 {
32 cout<< " B1::f() " << endl;
33 }
34 virtual void f1()
35 {
36 cout<< " B1::f1() " << endl;
37 }
38 virtual void Bf1()
39 {
40 cout<< " B1::Bf1() " << endl;
41 }
42 };
43
44 class B2: public B
45 {
46 public :
47 int ib2;
48 char cb2;
49 public :
50 B2():ib2( 10 ),cb2( ' 2 ' ){}
51 virtual void f()
52 {
53 cout<< " B2::f() " << endl;
54 }
55 virtual void f2()
56 {
57 cout<< " B2::f2() " << endl;
58 }
59 virtual void Bf2()
60 {
61 cout<< " B2::Bf2() " << endl;
62 }
63 };
64
65 class D: public B1, public B2
66 {
67 public :
68 int id;
69 char cd;
70 public :
71 D():id( 100 ),cd( ' D ' ){}
72
73 virtual void f()
74 {
75 cout<< " D::f() " << endl;
76 }
77 virtual void f1()
78 {
79 cout<< " D::f1() " << endl;
80 }
81 virtual void f2()
82 {
83 cout<< " D::f2() " << endl;
84 }
85 virtual void Df()
86 {
87 cout<< " D::Df() " << endl;
88 }
89
90 };
91 int main( int argc, char * argv[])
92 {
93 D d;
94 system( " pause " );
95 return 0 ;
96 }
在陈皓老师博客中，直接利用函数指针调用C++对象起始位置处虚函数表指针指向的虚函数表中的虚函数，以查看C++对象的内存模型。下面我们主要采用Visual Studio 2010 和 Visual C++下的“cl”编译器查看C++对象内存模型。
在 Visual Studio 2010 IDE开发环境中，我们查看派生类D对象的内存模型。如下图所示：
从上两图我们可以基本看出：
1、 派生类D对象d的内存布局中，由其基类依次组装而成，再加上派生类自己的成员变量。
2、其中基类布局依次按照在派生类中的声明顺序排列。
3、每个基类都有自己的虚函数表，指向虚函数表的指针 _vfptr 放置在最前面的位置。
为了再进一步了解重复继承中的C++对象内存模型，我们采用Visual C++下的“cl”编译器进行查看。
在“Microsoft Visual C++”的编译环境中，我们可以利用编译器“cl”、链接器“link”、可执行文件查看器“dumpbin”来查看Windows下可执行文件（COFF格式）的变量、函数怎么存储。
“cl”即Visual C++ 的编译器，即“Compiler”的缩写。在Visual Studio 2010安装完后，会有一个批处理文件用来建立运行这些工具所需要的环境。它位于 开始/程序/Microsoft Visual Studio 2010/Visual Studio Tools/Viusual Studio 2010 Command Prompt ,这样我们就可以利用命令行使用VC++的编译器了。
在“cl”编译器中有个编译选项可以查看C++类的内存布局，使用如下：打开Visual Studio的命令行提示符即 Viusual Studio 2010 Command Prompt ，按如下格式输入：
>cl [.cpp] /d1reportSingleClassLayout[classname]
d1reportSingleClassLayout可以查看源文件中所有类及结构体的内存布局，classname为类名， /d1reportSingleClassLayout[classname]之间没有空格。使用如下图所示：
使用cl编译器查看重复继承中的C++对象内存模型结果如下图所示：
从上图可以看出，编译器在实现时使用了字节对齐（Alignment），以实现在对象内存中存取更有效率。字节对齐就是将数值调整到某数的整数倍，在32位计算机中，通常Alignment为4bytes，以使bus的“运输量”达到最高效率。
可以看出，派生类D对象在内存中占有 44 个字节。
重复继承中的C++对象内部模型 用图片表示如下：
从图中可以看出，在派生类D中，存在着两份基类B的成员实例，分别为ib和cb，所以在 C++对象的内存布局（下） 指出这样可能会出现二义性编译错误。我们可以指定类作用域符::进行限定来消除二义性，也可以在语言层面利用虚拟继承机制来解决。
二、钻石型多重虚拟继承
在《深度探索C++对象模型》中提到：一个virtual base class subobject只会在derived class中存在一份实体，不管它在class继承体系中出现多少次！
因此，虚拟继承的就是为了解决重复继承中多个间接父类的问题。钻石型的结构就是最经典的虚拟多重继承结构。
UML类图如下：
如上图，让B1和B2各自维护的一个B子对象，折叠成一个由D维护的单一的B子对象，并且还可以保存基类和派生类的指针之间的多态指定操作，这对于编译器实现来说，难度非常高。 《深度探索C++对象模型》提到 一般的实现方法如下所述： 将D对象分割为两部分，一个不变局部和一个共享局部。 不变局部中的数据，不管后继如何衍化，总是拥有固定的偏移量，所以这一部分数据可以被直接存取，至于共享局部，所表现的就是虚拟继承的基类子对象，这一部分的数据，其位置会因为每次的派生操作而有变化，所以它们是间接存取。
所以，一般的布局策略是安排好派生类对象的不变部分，然后再建立其共享部分。在接下来的分析可以看出，VC++编译器实现中，在每一个派生类对象中插入一些指针 vbptr ，每个指针指向一个虚拟继承的基类子对象。要存取继承得来的基类子对象，可以使用相关指针间接完成。
要实现虚拟继承，我们只需要在B1和B2继承B的语法中加入 virtual关键字 即可。实现代码如下：
View Code
使用cl编译器查看钻石型虚拟重复继承中的C++对象内存模型结果如下图所示：
从上图可以看出，虚拟重复继承中的派生类D对象在内存中占有52字节，比之前多了8个字节。
虚拟重复继承中的C++对象内部模型 用图片表示如下：
从图中可以看出，VC++编译器在实现虚拟继承时，在派生类的对象中安插了两个 vbptr 指针。因此，对每个继承自虚基类的类实例，将增加一个隐藏的“虚基类表指针”（vbptr）成员变量，从而达到 间接计算虚基类位置 的目的。该变量指向一个全类共享的偏移量表，表中项目 记录了对于该类而言，“虚基类表指针”与虚基类之间的偏移量。由上可以看出，B1虚基类表指针vbptr与虚基类B之间的偏移量是40字节，B2 虚基类表指针vbptr与虚基类B之间的偏移量是24字节。第一项中-4的含义：表示的是vptr和vbptr的距离，如果B1中没有虚函数的定义，这个地方就会是0。 vbptr就是存放在vptr下面的位置。
我们注意到在虚拟继承的C++对象内存布局中，还有一个4个字节的vtordisp字段，vtordisp在 MSDN中这样解释 ：
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.
也就是说如果虚拟 继承中派生类重写了基类的虚函数，并且在构造函数或者析构函数中使用指向基类的指针调用了该函数，编译器会为虚基类添加 vtordisp 域。
但在本例中， vtordisp为什么存在于C++派生类对象中，对象如何使用它，我却不得而知，希望向大家请教。
至此，我们已经分析完在VC++编译器实现中的重复继承和钻石型虚拟重复继承的C++对象内存模型。这篇博客也花了大概4个小时，时间挺久，但非常值得，希望大家多多指教。
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分类: 探索C++
作者： Leo_wl
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