多重继承及虚继承中对象内存的分布

深藏阁楼爱情的钟 2021-12-15 01:29 273阅读 0赞

http://www.tbdata.org/archives/878

这篇文章主要讲解G++编译器中虚继承的对象内存分布问题，从中也引出了dynamic\_cast和static\_cast本质区别、虚函数表的格式等一些大部分C++程序员都似是而非的概念。问题拿捏得十分到位，下面是我对原文的翻译，原文见[这里][Link 1](By Edsko de Vries, January 2006)。

本文是介绍C++的技术文章，假定读者对于C++有比较深入的认识，同时也需要一些汇编知识。

本文我们将阐释GCC编译器针对多重继承和虚拟继承下的对象内存布局。尽管在理想的使用环境中，一个C++程序员并不需要了解这些编译器内部实现细节，实际上，编译器针对多重继承(特别是虚拟继承)的各种实现细节对于我们编写C++代码都或多或少产生一些影响(比如downcasting pointer、pointers to pointers 以及虚基类构造函数的调用顺序)。如果你能明白多重继承是如何实现的，那么你自己就能够预见到这些影响，进而能够在你的代码中很好地应对它们。再者，如果你十分在意的代码的运行效率，正确地理解虚继承也是很有帮助的。最后嘛，这个hack的过程是很有趣的哦:)

## 多重继承 ##

首先我们先来考虑一个很简单(non-virtual)的多重继承。看看下面这个C++类层次结构。

1 class Top  
2 \{  
3      public:  
4           int a;  
5 \};  
6  
7 class Left : public Top  
8 \{  
9        public:  
10           int b;  
11 \};  
12  
13 class Right : public Top  
14 \{  
15       public:  
16            int c;  
17 \};  
18  
19 class Bottom : public Left, public Right  
20 \{  
21       public:  
22            int d;  
23 \};  
24  
用UML表述如下:

[![nonvirtual.png][]][nonvirtual.png]

注意到Top类实际上被继承了两次，(这种机制在Eiffel中被称作repeated inheritance)，这就意味着在一个bottom对象中实际上有两个a属性(attributes，可以通过bottom.Left::a和 bottom.Right::a访问) 。

那么Left、Right、Bottom在内存中如何分布的呢？我们先来看看简单的Left和Right内存分布：

[![0_12736531677GBf1.jpg][]][0_12736531677GBf1.jpg]

\[Right 类的布局和Left是一样的，因此我这里就没再画图了。\]

注意到上面类各自的第一个属性都是继承自Top类，这就意味着下面两个赋值语句:

1 Left\* left = new Left();  
2 Top\* top = left;

left和top实际上是指向两个相同的地址，我们可以把Left对象当作一个Top对象(同样也可以把Right对象当Top对象来使用)。但是Botom对象呢?

GCC是这样处理的：

[![0_127365353528Rp.jpg][]][0_127365353528Rp.jpg]

但是现在如果我们upcast 一个Bottom指针将会有什么结果?

1 Bottom\* bottom = new Bottom();  
2 Left\* left = bottom;

这段代码运行正确。这是因为GCC选择的这种内存布局使得我们可以把Bottom对象当作Left对象，它们两者(Left部分)正好相同。但是，如果我们把Bottom对象指针upcast到Right对象呢?

1 Right\* right = bottom;

如果我们要使这段代码正常工作的话，我们需要调整指针指向Bottom中相应的部分。

[![0_1273653869xvg5.jpg][]][0_1273653869xvg5.jpg]

通过调整，我们可以用right指针访问Bottom对象，这时Bottom对象表现得就如Right对象。但是bottom和right指针指向了不同的内存地址。最后，我们考虑下:

1 Top\* top = bottom;

恩，什么结果也没有，这条语句实际上是有歧义(ambiguous)的，编译器会报错: error: \`Top’ is an ambiguous base of \`Bottom’。其实这两种带有歧义的可能性可以用如下语句加以区分：

1 Top\* topL = (Left\*) bottom;  
2 Top\* topR = (Right\*) bottom;

这两个赋值语句执行之后，topL和left指针将指向同一个地址，同样topR和right也将指向同一个地址。

## 虚拟继承 ##

为了避免上述Top类的多次继承，我们必须虚拟继承类Top。

1 class Top  
2 \{  
3         public:  
4               int a;  
5 \};  
6  
7 class Left : virtual public Top  
8 \{  
9         public:  
10            int b;  
11 \};  
12  
13 class Right : virtual public Top  
14 \{  
15      public:  
16            int c;  
17 \};  
18  
19 class Bottom : public Left, public Right  
20 \{  
21       public:  
22            int d;  
23 \};  
24

上述代码将产生如下的类层次图(其实这可能正好是你最开始想要的继承方式)。

[![virtual.png][]][virtual.png]

对于程序员来说，这种类层次图显得更加简单和清晰，不过对于一个编译器来说，这就复杂得多了。我们再用Bottom的内存布局作为例子考虑，它可能是这样的:

[![0_1273655159s7Ib1.jpg][]][0_1273655159s7Ib1.jpg]

这种内存布局的优势在于它的开头部分(Left部分)和Left的布局正好相同，我们可以很轻易地通过一个Left指针访问一个Bottom对象。不过，我们再来考虑考虑Right:

1 Right\* right = bottom;

这里我们应该把什么地址赋值给right指针呢？理论上说，通过这个赋值语句，我们可以把这个right指针当作真正指向一个Right对象的指针(现在指向的是Bottom)来使用。但实际上这是不现实的！一个真正的Right对象内存布局和Bottom对象Right部分是完全不同的，所以其实我们不可能再把这个upcasted的bottom对象当作一个真正的right对象来使用了。而且，我们这种布局的设计不可能还有改进的余地了。这里我们先看看实际上内存是怎么分布的，然后再解释下为什么这么设计。

![vtable.png][]

上图有两点值得大家注意。第一点就是类中成员分布顺序是完全不一样的(实际上可以说是正好相反)。第二点，类中增加了vptr指针，这些是被编译器在编译过程中插入到类中的(在设计类时如果使用了虚继承，虚函数都会产生相关vptr)。同时，在类的构造函数中会对相关指针做初始化，这些也是编译器完成的工作。Vptr指针指向了一个“virtual table”。在类中每个虚基类都会存在与之对应的一个vptr指针。为了给大家展示virtual table作用，考虑下如下代码。

1 Bottom\* bottom = new Bottom();  
2 Left\* left = bottom;  
3 int p = left->a;  
第二条的赋值语句让left指针指向和bottom同样的起始地址(即它指向Bottom对象的“顶部”)。我们来考虑下第三条的赋值语句。下面是它汇编结果:

1 movl left, %eax \# %eax = left  
2 movl (%eax), %eax \# %eax = left.vptr.Left  
3 movl (%eax), %eax \# %eax = virtual base offset  
4 addl left, %eax \# %eax = left + virtual base offset  
5 movl (%eax), %eax \# %eax = left.a  
6 movl %eax, p \# p = left.a

总结下，我们用left指针去索引(找到)virtual table，然后在virtual table中获取到虚基类的偏移(virtual base offset, vbase)，然后在left指针上加上这个偏移量，这样我们就获取到了Bottom类中Top类的开始地址。从上图中，我们可以看到对于Left指针，它的virtual base offset是20，如果我们假设Bottom中每个成员都是4字节大小，那么Left指针加上20字节正好是成员a的地址。

我们同样可以用相同的方式访问Bottom中Right部分。

1 Bottom\* bottom = new Bottom();  
2 Right\* right = bottom;  
3 int p = right->a;

right指针就会指向在Bottom对象中相应的位置。

[![0_1273655967O7t02.jpg][]][0_1273655967O7t02.jpg]

这里对于p的赋值语句最终会被编译成和上述left相同的方式访问a。唯一的不同是就是vptr，我们访问的vptr现在指向了virtual table另一个地址，我们得到的virtual base offset也变为12。我们画图总结下：

![doublepointers.png][]

当然，关键点在于我们希望能够让访问一个真正单独的Right对象也如同访问一个经过upcasted（到Right对象）的Bottom对象一样。这里我们也在Right对象中引入vptrs。

![vtable2.png][]

OK，现在这样的设计终于让我们可以通过一个Right指针访问Bottom对象了。不过，需要提醒的是以上设计需要承担一个相当大的代价：我们需要引入虚函数表，对象底层也必须扩展以支持一个或多个虚函数指针，原来一个简单的成员访问现在需要通过虚函数表两次间接寻址(编译器优化可以在一定程度上减轻性能损失)。

## Downcasting ##

如我们猜想，将一个指针从一个派生类到一个基类的转换(casting)会涉及到在指针上添加偏移量。可能有朋友猜想，downcasting一个指针仅仅减去一些偏移量就行了吧。实际上，非虚继承情况下确实是这样，但是，对于虚继承来说，又不得不引入其它的复杂问题。这里我们在上面的例子中添加一些继承关系:

1 class AnotherBottom : public Left, public Right  
2 \{  
3       public:  
4            int e;  
5            int f;  
6 \};

这个继承关系如下图所示:

![virtual2.png][]

那么现在考虑如下代码

1 Bottom\* bottom1 = new Bottom();  
2 AnotherBottom\* bottom2 = new AnotherBottom();  
3 Top\* top1 = bottom1;  
4 Top\* top2 = bottom2;  
5 Left\* left = static\_cast(top1);  
下面这图展示了Bottom和AnotherBottom的内存布局，同时也展示了各自top指针所指向的位置。

[![0_127371949465x8.jpg][]][0_127371949465x8.jpg]

现在我们来考虑考虑从top1到left的static\_cast，注意这里我们并不清楚对于top1指针指向的对象是Bottom还是AnotherBottom。这里是根本不能编译通过的！因为根本不能确认top1运行时需要调整的偏移量(对于Bottom是20，对于AnotherBottom是24)。所以编译器将会提出错误: error: cannot convert from base \`Top’ to derived type \`Left’ via virtual base \`Top’。这里我们需要知道运行时信息，所以我们需要使用dynamic\_cast：

1 Left\* left = dynamic\_cast(top1);

不过，编译器仍然会报错的 error: cannot dynamic\_cast \`top’ (of type \`class Top\*’) to type \`class Left\*’ (source type is not polymorphic)。关键问题在于使用dynamic\_cast（和使用typeid一样）需要知道指针所指对象的运行时信息。但是，回头看看上面的结构图，我们就会发现top1指针所指的仅仅是一个整数成员a。编译器没有在Bottom类中包含针对top的vptr，它认为这完全没有必要。为了强制编译器在Bottom中包含top的vptr，我们可以在top类里面添加一个虚析构函数。

1 class Top  
2 \{  
3        public:  
4            virtual ~Top() \{\}  
5            int a;  
6 \};

这就迫使编译器为Top类添加了一个vptr。下面来看看Bottom新的内存布局：

![vtable4.png][]

是的，其它派生类(Left、Right)都会添加一个vptr.top，编译器为dynamic\_cast生成了一个库函数调用。

1 left = \_\_dynamic\_cast(top1, typeinfo\_for\_Top, typeinfo\_for\_Left, -1);

\_\_dynamic\_cast定义在libstdc++(对应的头文件是cxxabi.h)，有了Top、Left和Bottom的类型信息，转换得以执行。其中，参数-1代表的是类Left和类Top之间的关系未明。如果想详细了解，请参看tinfo.cc的实现。

## 总结 ##

最后，我们再聊聊一些相关内容。

### 二级指针 ###

这里的问题初看摸不着头脑，但是细细想来有些问题还是显而易见的。这里我们考虑一个问题，还是以上节的Downcasting中的类继承结构图作为例子。

1 Bottom\* b = new Bottom();  
2 Right\* r = b;

(在把b指针的值赋值给指针r时，b指针将加上8字节，这样r指针才指向Bottom对象中Right部分)。因此我们可以把Bottom\*类型的值赋值给Right\*对象。但是Bottom\*\*和Right\*\*两种类型的指针之间赋值呢？

1 Bottom\*\* bb = &b;  
2 Right\*\* rr = bb;

编译器能通过这两条语句吗？实际上编译器会报错: error: invalid conversion from \`Bottom\*\*’ to \`Right\*\*’  
为什么? 不妨反过来想想，如果能够将bb赋值给rr，如下图所示。所以这里bb和rr两个指针都指向了b，b和r都指向了Bottom对象的相应部分。那么现在考虑考虑如果给\*rr赋值将会发生什么。

1 \*rr = b;

注意\*rr是Right\*类型(一级)的指针，所以这个赋值是有效的！

![vtable3.png][]

这个就和我们上面给r指针赋值一样(\*rr是一级的Right\*类型指针，而r同样是一级Right\*指针)。所以，编译器将采用相同的方式实现对\*rr的赋值操作。实际上，我们又要调整b的值，加上8字节，然后赋值给\*rr，但是现在\*\*rr其实是指向b的!如下图

![doublepointers2.png][]

呃，如果我们通过rr访问Bottom对象，那么按照上图结构我们能够完成对Bottom对象的访问，但是如果是用b来访问Bottom对象呢，所有的对象引用实际上都偏移了8字节——明显是错误的！

总而言之，尽管\*a和\*b之间能依靠类继承关系相互转化，而\*\*a和\*\*b不能有这种推论。

虚基类的构造函数

编译器必须要保证所有的虚函数指针要被正确的初始化。特别是要保证类中所有虚基类的构造函数都要被调用，而且还只能调用一次。如果你写代码时自己不显示调用构造函数，编译器会自动插入一段构造函数调用代码。这将会导致一些奇怪的结果，同样考虑下上面的类继承结构图，不过要加入构造函数。

1 class Top  
2 \{  
3      public:  
4            Top() \{ a = -1; \}  
5            Top(int \_a) \{ a = \_a; \}  
6            int a;  
7 \};  
8  
9 class Left : public Top  
10 \{  
11 public:  
12            Left() \{ b = -2; \}  
13            Left(int \_a, int \_b) : Top(\_a) \{ b = \_b; \}  
14            int b;  
15 \};  
16  
17 class Right : public Top  
18 \{  
19      public:  
20            Right() \{ c = -3; \}  
21            Right(int \_a, int \_c) : Top(\_a) \{ c = \_c; \}  
22            int c;  
23 \};  
24  
25 class Bottom : public Left, public Right  
26 \{  
27     public:  
28            Bottom() \{ d = -4; \}  
29            Bottom(int \_a, int \_b, int \_c, int \_d) : Left(\_a, \_b), Right(\_a, \_c)  
30            \{  
31                       d = \_d;  
32            \}  
33            int d;  
34 \};  
35  
先来考虑下不包含虚函数的情况，下面这段代码输出什么?

1 Bottom bottom(1,2,3,4);  
2 printf(“%d %d %d %d %d\\n”, bottom.Left::a, bottom.Right::a, bottom.b, bottom.c, bottom.d);  
你可能猜想会有这样结果：

1 1 2 3 4  
但是，如果我们考虑下包含虚函数的情况呢，如果我们从Top虚继承派生出子类，那么我们将得到如下结果：

\-1 -1 2 3 4  
如本节开头所讲，编译器在Bottom中插入了一个Top的默认构造函数，而且这个默认构造函数安排在其他的构造函数之前，当Left开始调用它的基类构造函数时，我们发现Top已经构造初始化好了，所以相应的构造函数不会被调用。如果跟踪构造函数，我们将会看到

Top::Top()  
Left::Left(1,2)  
Right::Right(1,3)  
Bottom::Bottom(1,2,3,4)  
为了避免这种情况，我们应该显示地调用虚基类的构造函数

1 Bottom(int \_a, int \_b, int \_c, int \_d): Top(\_a), Left(\_a,\_b), Right(\_a,\_c)  
2 \{  
3            d = \_d;  
4 \}

### 到void\* 的转换 ###

1 dynamic\_cast(b);

最后我们来考虑下把一个指针转换到void \*。编译器会把指针调整到对象的开始地址。通过查vtable，这个应该是很容易实现。看看上面的vtable结构图，其中offset to top就是vptr到对象开始地址。另外因为要查阅vtable，所以需要使用dynamic\_cast。

### 指针的比较 ###

再以上面Bottom类继承关系为例讨论，下面这段代码会打印Equal吗？

1 Bottom\* b = new Bottom();  
2 Right\* r = b;  
3  
4 if(r == b)  
5      printf(“Equal!\\n”);  
先明确下这两个指针实际上是指向不同地址的，r指针实际上在b指针所指地址上偏移8字节，但是，这些C++内部细节不能告诉C++程序员，所以C++编译器在比较r和b时，会把r减去8字节，然后再来比较，所以打印出的值是”Equal”.

# 参考文献 #

\[1\] CodeSourcery, in particular the C++ ABI Summary, the Itanium C++ ABI (despite the name, this document is referenced in a platform-independent context; in particular, the structure of the vtables is detailed here). The libstdc++ implementation of dynamic casts, as well RTTI and name unmangling/demangling, is defined in tinfo.cc.

\[2\] The libstdc++ website, in particular the section on the C++ Standard Library API.

\[3\] C++: Under the Hood by Jan Gray.

\[4\] Chapter 9, “Multiple Inheritance” of Thinking in C++ (volume 2) by Bruce Eckel. The author has made this book available for download.

转载于:https://www.cnblogs.com/lc7cl/archive/2012/10/04/2711486.html

[Link 1]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance.html
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