C++ 对象的内存布局（重复虚拟继承）

原文：http://blog.csdn.net/haoel/article/details/3081385

下面，让我们来看看重复虚拟继承中C++对象的内存布局的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。

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：



 
 
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）：
 

GCC 3.4.4	VC++ 2003
[0] B1::_vptr ->     [0] : B1::f()     [1] : B1::f1()     [2] : B1::Bf1()     [3] : 0 [1] B1::ib1 : 11 [2] B1::cb1 : 1 [3] B::_vptr ->     [0] : B1::f()     [1] : B::Bf()     [2] : 0 [4] B::ib : 0 [5] B::cb : B [6] NULL : 0	[0] B1::_vptr->      [0] B1::f1()      [1] B1::Bf1()      [2] 0 [1] = 0x00454310 ?该地址取值后是-4 [2] B1::ib1 = 11 [3] B1::cb1 = 1 [4] = 0x00000000 [5] B::_vptr->      [0] B1::f()      [1] B::Bf()      [2] 0x00000000 [6] B::ib = 0 [7] B::cb = B

   

这里，大家可以自己对比一下。关于细节上，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）
 

GCC 3.4.4

VC++ 2003

[0] B1::_vptr ->     [0] : D::f()     [1] : D::f1()     [2] : B1::Bf1()     [3] : D::f2()     [4] : D::Df()     [5] : 1 [1] B1::ib1 : 11 [2] B1::cb1 : 1 [3] B2::_vptr ->     [0] : D::f()     [1] : D::f2()     [2] : B2::Bf2()     [3] : 0 [4] B2::ib2 : 12 [5] B2::cb2 : 2 [6] D::id : 100 [7] D::cd : D [8] B::_vptr ->     [0] : D::f()     [1] : B::Bf()     [2] : 0 [9] B::ib : 0 [10] B::cb : B [11] NULL : 0

[0] D::B1::_vptr->      [0] D::f1()      [1] B1::Bf1()      [2] D::Df()      [3] 00000000 [1] = 0x0013FDC4  ? 该地址取值后是-4 [2] B1::ib1 = 11 [3] B1::cb1 = 1 [4] D::B2::_vptr->      [0] D::f2()      [1] B2::Bf2()      [2] 00000000 [5] = 0x4539260   ? 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]  = 0x00000000 [11] D::B::_vptr->      [0] D::f()      [1] B::Bf()      [2] 00000000 [12] B::ib = 0 [13] B::cb = B

 
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。