C++ 对象的内存布局(下)

港控/mmm° 2021-09-20 14:18 322阅读 0赞

**C++ 对象的内存布局(下)**

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转载于：[http://blog.csdn.net/haoel/article/details/3081385][http_blog.csdn.net_haoel_article_details_3081385]

# 重复继承 #

下面我们再来看看，发生重复继承的情况。所谓重复继承，也就是某个基类被间接地重复继承了多次。

下图是一个继承图，我们重载了父类的f()函数。

![dd05.jpg][]

其类继承的源代码如下所示。其中，每个类都有两个变量，一个是整形（4字节），一个是字符（1字节），而且还有自己的虚函数，自己overwrite父类的虚函数。如子类D中，f()覆盖了超类的函数， f1() 和f2() 覆盖了其父类的虚函数，Df()为自己的虚函数。

class B

public:

int ib;

char cb;

public:

B():ib(0),cb('B') \{\}

virtual void f() \{ cout << "B::f()" << endl;\}

virtual void Bf() \{ cout << "B::Bf()" << endl;\}

\};

class B1 :  public B

public:

int ib1;

char cb1;

public:

B1():ib1(11),cb1('1') \{\}

virtual void f() \{ cout << "B1::f()" << endl;\}

virtual void f1() \{ cout << "B1::f1()" << endl;\}

virtual void Bf1() \{ cout << "B1::Bf1()" << endl;\}

\};

class B2:  public B

public:

int ib2;

char cb2;

public:

B2():ib2(12),cb2('2') \{\}

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;

char cd;

public:

D():id(100),cd('D') \{\}

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;\}

\};

我们用来存取子类内存布局的代码如下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）

typedef void(\*Fun)(void);

int\*\* pVtab = NULL;

Fun pFun = NULL;

D d;

pVtab = (int\*\*)&d;

cout << "\[0\] D::B1::\_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[0\];

cout << "     \[0\] ";    pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[1\];

cout << "     \[1\] ";    pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[2\];

cout << "     \[2\] ";    pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[3\];

cout << "     \[3\] ";    pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[4\];

cout << "     \[4\] ";    pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[5\];

cout << "     \[5\] 0x" << pFun << endl;

cout << "\[1\] B::ib = " << (int)pVtab\[1\] << endl;

cout << "\[2\] B::cb = " << (char)pVtab\[2\] << endl;

cout << "\[3\] B1::ib1 = " << (int)pVtab\[3\] << endl;

cout << "\[4\] B1::cb1 = " << (char)pVtab\[4\] << endl;

cout << "\[5\] D::B2::\_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab\[5\]\[0\];

cout << "     \[0\] ";    pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[5\]\[1\];

cout << "     \[1\] ";    pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[5\]\[2\];

cout << "     \[2\] ";    pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[5\]\[3\];

cout << "     \[3\] ";    pFun();

pFun = (Fun)pVtab\[5\]\[4\];

cout << "     \[4\] 0x" << pFun << endl;

cout << "\[6\] B::ib = " << (int)pVtab\[6\] << endl;

cout << "\[7\] B::cb = " << (char)pVtab\[7\] << endl;

cout << "\[8\] B2::ib2 = " << (int)pVtab\[8\] << endl;

cout << "\[9\] B2::cb2 = " << (char)pVtab\[9\] << endl;

cout << "\[10\] D::id = " << (int)pVtab\[10\] << endl;

cout << "\[11\] D::cd = " << (char)pVtab\[11\] << endl;

程序运行结果如下：

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

![dd06.jpg][]

我们可以看见，最顶端的父类B其成员变量存在于B1和B2中，并被D给继承下去了。而在D中，其有B1和B2的实例，于是B的成员在D的实例中存在两份，一份是B1继承而来的，另一份是B2继承而来的。所以，如果我们使用以下语句，则会产生二义性编译错误：

D d;

d.ib = 0;               //二义性错误

d.B1::ib = 1;           //正确

d.B2::ib = 2;           //正确

注意，上面例程中的最后两条语句存取的是两个变量。虽然我们消除了二义性的编译错误，但B类在D中还是有两个实例，这种继承造成了数据的重复，我们叫这种继承为重复继承。重复的基类数据成员可能并不是我们想要的。所以，C++引入了虚基类的概念。

# 钻石型多重虚拟继承 #

虚拟继承的出现就是为了解决重复继承中多个间接父类的问题的。钻石型的结构是其最经典的结构。也是我们在这里要讨论的结构：

上述的“重复继承”只需要把B1和B2继承B的语法中加上virtual 关键，就成了虚拟继承，其继承图如下所示：

![dd07.jpg][]

上图和前面的“重复继承”中的类的内部数据和接口都是完全一样的，只是我们采用了虚拟继承：其省略后的源码如下所示：

class B \{……\};

class B1 : **virtual** public B\{ ……\};

class B2: **virtual** public B\{ ……\};

class D : public B1, public B2\{ …… \};

在查看D之前，我们先看一看**单一虚拟继承**的情况。下面是一段在VC++2003下的测试程序：（因为VC++和GCC的内存而局上有一些细节上的不同，所以这里只给出VC++的程序，GCC下的程序大家可以根据我给出的程序自己仿照着写一个去试一试）：

int\*\* pVtab = NULL;

Fun pFun = NULL;

B1 bb1;

pVtab = (int\*\*)&bb1;

cout << "\[0\] B1::\_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[0\];

cout << "     \[0\] ";

pFun(); //B1::f1();

cout << "     \[1\] ";

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[1\];

pFun(); //B1::bf1();

cout << "     \[2\] ";

cout << pVtab\[0\]\[2\] << endl;

cout << "\[1\] = 0x";

cout << (int\*)\*((int\*)(&bb1)+1) <<endl; //B1::ib1

cout << "\[2\] B1::ib1 = ";

cout << (int)\*((int\*)(&bb1)+2) <<endl; //B1::ib1

cout << "\[3\] B1::cb1 = ";

cout << (char)\*((int\*)(&bb1)+3) << endl; //B1::cb1

cout << "\[4\] = 0x";

cout << (int\*)\*((int\*)(&bb1)+4) << endl; //NULL

cout << "\[5\] B::\_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab\[5\]\[0\];

cout << "     \[0\] ";

pFun(); //B1::f();

pFun = (Fun)pVtab\[5\]\[1\];

cout << "     \[1\] ";

pFun(); //B::Bf();

cout << "     \[2\] ";

cout << "0x" << (Fun)pVtab\[5\]\[2\] << endl;

cout << "\[6\] B::ib = ";

cout << (int)\*((int\*)(&bb1)+6) <<endl; //B::ib

cout << "\[7\] B::cb = ";

其运行结果如下（我结出了GCC的和VC++2003的对比）：

<table style="color:rgb(51,51,51)"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> GCC 3.4.4 </td> 
 <td> VC++ 2003 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> [0] B1::_vptr -&gt; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[0] : B1::f() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[1] : B1::f1() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[2] : B1::Bf1() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[3] : 0 [1] B1::ib1 : 11 [2] B1::cb1 : 1 [3] B::_vptr -&gt; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[0] : B1::f() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[1] : B::Bf() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[2] : 0 [4] B::ib : 0 [5] B::cb : B [6] NULL : 0 </td> 
 <td> [0] B1::_vptr-&gt; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[0] B1::f1() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[1] B1::Bf1() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[2] 0 [1] = 0x00454310&nbsp;ç该地址取值后是-4 [2] B1::ib1 = 11 [3] B1::cb1 = 1 [4] = 0x00000000 [5] B::_vptr-&gt; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[0] B1::f() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[1] B::Bf() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[2] 0x00000000 [6] B::ib = 0 [7] B::cb = B </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

这里，大家可以自己对比一下。关于细节上，我会在后面一并再说。

下面的测试程序是看子类D的内存布局，同样是VC++ 2003的（因为VC++和GCC的内存布局上有一些细节上的不同，而VC++的相对要清楚很多，所以这里只给出VC++的程序，GCC下的程序大家可以根据我给出的程序自己仿照着写一个去试一试）：

D d;

pVtab = (int\*\*)&d;

cout << "\[0\] D::B1::\_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[0\];

cout << "     \[0\] ";    pFun(); //D::f1();

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[1\];

cout << "     \[1\] ";    pFun(); //B1::Bf1();

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[2\];

cout << "     \[2\] ";    pFun(); //D::Df();

pFun = (Fun)pVtab\[0\]\[3\];

cout << "     \[3\] ";

cout << pFun << endl;

//cout << pVtab\[4\]\[2\] << endl;

cout << "\[1\] = 0x";

cout <<  (int\*)((&dd)+1) <<endl; //????

cout << "\[2\] B1::ib1 = ";

cout << \*((int\*)(&dd)+2) <<endl; //B1::ib1

cout << "\[3\] B1::cb1 = ";

cout << (char)\*((int\*)(&dd)+3) << endl; //B1::cb1

//---------------------

cout << "\[4\] D::B2::\_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab\[4\]\[0\];

cout << "     \[0\] ";    pFun(); //D::f2();

pFun = (Fun)pVtab\[4\]\[1\];

cout << "     \[1\] ";    pFun(); //B2::Bf2();

pFun = (Fun)pVtab\[4\]\[2\];

cout << "     \[2\] ";

cout << pFun << endl;

cout << "\[5\] = 0x";

cout << \*((int\*)(&dd)+5) << endl; // ???

cout << "\[6\] B2::ib2 = ";

cout << (int)\*((int\*)(&dd)+6) <<endl; //B2::ib2

cout << "\[7\] B2::cb2 = ";

cout << (char)\*((int\*)(&dd)+7) << endl; //B2::cb2

cout << "\[8\] D::id = ";

cout << \*((int\*)(&dd)+8) << endl; //D::id

cout << "\[9\] D::cd = ";

cout << (char)\*((int\*)(&dd)+9) << endl;//D::cd

cout << "\[10\]  = 0x";

cout << (int\*)\*((int\*)(&dd)+10) << endl;

//---------------------

cout << "\[11\] D::B::\_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab\[11\]\[0\];

cout << "     \[0\] ";    pFun(); //D::f();

pFun = (Fun)pVtab\[11\]\[1\];

cout << "     \[1\] ";    pFun(); //B::Bf();

pFun = (Fun)pVtab\[11\]\[2\];

cout << "     \[2\] ";

cout << pFun << endl;

cout << "\[12\] B::ib = ";

cout << \*((int\*)(&dd)+12) << endl; //B::ib

cout << "\[13\] B::cb = ";

cout << (char)\*((int\*)(&dd)+13) <<endl;//B::cb

下面给出运行后的结果（分VC++和GCC两部份）

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> GCC 3.4.4 </td> 
 <td> VC++ 2003 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> [0] B1::_vptr -&gt; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[0] : D::f() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[1] : D::f1() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[2] : B1::Bf1() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[3] : D::f2() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[4] : D::Df() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[5] : 1 [1] B1::ib1 : 11 [2] B1::cb1 : 1 [3] B2::_vptr -&gt; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[0] : D::f() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[1] : D::f2() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[2] : B2::Bf2() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[3] : 0 [4] B2::ib2 : 12 [5] B2::cb2 : 2 [6] D::id : 100 [7] D::cd : D [8] B::_vptr -&gt; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[0] : D::f() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[1] : B::Bf() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[2] : 0 [9] B::ib : 0 [10] B::cb : B [11] NULL : 0 </td> 
 <td> [0] D::B1::_vptr-&gt; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[0] D::f1() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[1] B1::Bf1() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[2] D::Df() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[3] 00000000 [1] = 0x0013FDC4&nbsp;&nbsp;ç&nbsp;该地址取值后是-4 [2] B1::ib1 = 11 [3] B1::cb1 = 1 [4] D::B2::_vptr-&gt; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[0] D::f2() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[1] B2::Bf2() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[2] 00000000 [5] = 0x4539260&nbsp;&nbsp;&nbsp;ç&nbsp;该地址取值后是-4 [6] B2::ib2 = 12 [7] B2::cb2 = 2 [8] D::id = 100 [9] D::cd = D [10]&nbsp;&nbsp;= 0x00000000 [11] D::B::_vptr-&gt; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[0] D::f() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[1] B::Bf() &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[2] 00000000 [12] B::ib = 0 [13] B::cb = B </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

关于虚拟继承的运行结果我就不画图了（前面的作图已经让我产生了很严重的厌倦感，所以就偷个懒了，大家见谅了）

在上面的输出结果中，我用不同的颜色做了一些标明。我们可以看到如下的几点：

1）无论是GCC还是VC++，除了一些细节上的不同，其大体上的对象布局是一样的。也就是说，先是B1（黄色），然后是B2（绿色），接着是D（灰色），而B这个超类（青蓝色）的实例都放在最后的位置。

2）关于虚函数表，尤其是第一个虚表，GCC和VC++有很重大的不一样。但仔细看下来，还是VC++的虚表比较清晰和有逻辑性。

3）VC++和GCC都把B这个超类放到了最后，而VC++有一个NULL分隔符把B和B1和B2的布局分开。GCC则没有。

4）VC++中的内存布局有两个地址我有些不是很明白，在其中我用红色标出了。取其内容是-4。接道理来说，这个指针应该是指向B类实例的内存地址（这个做法就是为了保证重复的父类只有一个实例的技术）。但取值后却不是。这点我目前还并不太清楚，还向大家请教。

5）GCC的内存布局中在B1和B2中则没有指向B的指针。这点可以理解，编译器可以通过计算B1和B2的size而得出B的偏移量。

# 结束语 #

C++这门语言是一门比较复杂的语言，对于程序员来说，我们似乎永远摸不清楚这门语言背着我们在干了什么。需要熟悉这门语言，我们就必需要了解C++里面的那些东西，需要我们去了解他后面的内存对象。这样我们才能真正的了解C++，从而能够更好的使用C++这门最难的编程语言。

在文章束之前还是介绍一下自己吧。我从事软件研发有十个年头了，目前是软件开发技术主管，技术方面，主攻Unix/C/C++，比较喜欢网络上的技术，比如分布式计算，网格计算，P2P，Ajax等一切和互联网相关的东西。管理方面比较擅长于团队建设，技术趋势分析，项目管理。欢迎大家和我交流，我的MSN和Email是：[haoel@hotmail.com][haoel_hotmail.com]

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