1、前言

C++虛繼承的內(nèi)存模型是一個(gè)經(jīng)典的問(wèn)題，其具體實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于編譯器，可能會(huì)出現(xiàn)較大差異，但原理和最終的目的是大體相同的。本文將對(duì)g++中虛繼承的內(nèi)存模型進(jìn)行詳細(xì)解析。

2、多繼承存在的問(wèn)題

C++的多繼承是指從多個(gè)直接基類(lèi)中產(chǎn)生派生類(lèi)的能力，多繼承的派生類(lèi)繼承了所有父類(lèi)的成員。從概念上來(lái)講這是非常簡(jiǎn)單的，但是多個(gè)基類(lèi)的相互交織可能會(huì)帶來(lái)錯(cuò)綜復(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題，命名沖突就是不可回避的一個(gè)，比如典型的是菱形繼承，如圖2-1所示：

在圖2-1中，類(lèi)A派生出類(lèi)B和類(lèi)C，類(lèi)D繼承自類(lèi)B和類(lèi)C，這個(gè)時(shí)候類(lèi)A中的成員變量和成員函數(shù)繼承到類(lèi)D中變成了兩份，一份來(lái)自A–>B–>D這條路徑，另一份來(lái)自A–>C–>D這條路徑。
在一個(gè)派生類(lèi)中保留間接基類(lèi)的多份同名成員，雖然可以在不同的成員變量中分別存放不同的數(shù)據(jù)，但大多數(shù)情況下這是多余的，因?yàn)楸Ａ舳喾莩蓡T變量不僅占用較多的存儲(chǔ)空間，還容易產(chǎn)生命名沖突。假如類(lèi)A有一個(gè)成員變量a，那么在類(lèi)D中直接訪問(wèn)a就會(huì)產(chǎn)生歧義，編譯器不知道它究竟來(lái)自A -->B–>D這條路徑，還是來(lái)自A–>C–>D這條路徑。下面是菱形繼承的代碼實(shí)現(xiàn)：

#include <iostream>
#include <stdint.h>

class A
{
public:
    long a;
};

class B: public A
{
public:
    long b;
};


class C: public A
{
public:
    long c;
};

class D: public B, public C
{
public:
    void seta(long v) { a = v; } // 命名沖突
    void setb(long v) { b = v; } // 正確
    void setc(long v) { c = v; } // 正確
    void setd(long v) { d = v; } // 正確

private:
    long d;
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    D d;
}

這段代碼就是圖2-1所示的菱形繼承的具體實(shí)現(xiàn)，可以看到在類(lèi)D的seta()方法中，代碼試圖直接訪問(wèn)間接基類(lèi)的成員變量a，結(jié)果發(fā)生了錯(cuò)誤，因?yàn)轭?lèi)B和類(lèi)C中都有成員變量a（都是從類(lèi)A繼承的），編譯器不知道選用哪一個(gè)，所以產(chǎn)生了歧義。

為了消除歧義，我們可以在使用a時(shí)指明它具體來(lái)自哪個(gè)類(lèi)，代碼如下：

void seta(long v) { B::a = v; }
/* 或 */
void seta(long v) { C::a = v; }

使用GDB查看變量d的內(nèi)存布局，如圖2-2所示：

于是我們可以畫(huà)出變量d的內(nèi)存布局，如圖2-3所示：

3、虛繼承簡(jiǎn)介

為了解決多繼承時(shí)命名沖突和冗余數(shù)據(jù)的問(wèn)題，C++提出了虛繼承這個(gè)概念，虛繼承可以使得在派生類(lèi)中只保留一份間接基類(lèi)的成員。使用方式就是在繼承方式前面加上virtual關(guān)鍵字修飾，示例代碼如下（基于前面的例子修改）：

#include <iostream>
#include <stdint.h>

class A
{
public:
    long a;
};

class B: virtual public A
{
public:
    long b;
};


class C: virtual public A
{
public:
    long c;
};

class D: public B, public C
{
public:
    void seta(long v) { a = v; } // 現(xiàn)在不會(huì)沖突了
    void setb(long v) { b = v; } // 正確
    void setc(long v) { c = v; } // 正確
    void setd(long v) { d = v; } // 正確

private:
    long d;
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    D d;
}

可以看到這段代碼使用虛繼承重新實(shí)現(xiàn)了前面提到的那個(gè)菱形繼承，這樣在派生類(lèi)D中就只保留了一份間接基類(lèi)A的成員變量a了，后續(xù)再直接訪問(wèn)a就不會(huì)出現(xiàn)歧義了。虛繼承的目的是讓某個(gè)類(lèi)做出聲明，承諾愿意共享它的基類(lèi)，這個(gè)被共享的基類(lèi)就稱(chēng)為虛基類(lèi)（Virtual Base Class），本例中的類(lèi)A就是一個(gè)虛基類(lèi)。在這種機(jī)制下，不論虛基類(lèi)在繼承體系中出現(xiàn)了多少次，在派生類(lèi)中都只包含一份虛基類(lèi)的成員。本例的繼承關(guān)系如圖3-1所示：

從這個(gè)新的繼承體系中我們可以發(fā)現(xiàn)虛繼承的一個(gè)特征：必須在虛派生的真實(shí)需求出現(xiàn)前就已經(jīng)完成虛派生的操作。在圖3-1中，我們是當(dāng)定義類(lèi)D時(shí)才出現(xiàn)了對(duì)虛派生的需求，但是如果類(lèi)B和類(lèi)C不是從類(lèi)A虛派生得到的，那么類(lèi)D還是會(huì)保留間接基類(lèi)A的兩份成員，示例代碼如下：

#include <iostream>
#include <stdint.h>

class A
{
public:
    long a;
};

class B: public A
{
public:
    long b;
};


class C: public A
{
public:
    long c;
};

class D: virtual public B, virtual public C
{
public:
    void seta(long v) { a = v; } // 錯(cuò)誤，不能等到定義類(lèi)D時(shí)再來(lái)做虛繼承的工作
    void setb(long v) { b = v; } // 正確
    void setc(long v) { c = v; } // 正確
    void setd(long v) { d = v; } // 正確

private:
    long d;
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    D d;
}

換個(gè)角度講，虛派生只影響從指定了虛基類(lèi)的派生類(lèi)中進(jìn)一步派生出來(lái)的類(lèi)，它不會(huì)影響派生類(lèi)本身。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，位于中間層次的基類(lèi)將其繼承聲明為虛繼承一般不會(huì)帶來(lái)什么問(wèn)題。通常情況下，使用虛繼承的類(lèi)層次是由一個(gè)人或者一個(gè)項(xiàng)目組一次性設(shè)計(jì)完成的。對(duì)于一個(gè)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的類(lèi)來(lái)說(shuō)，很少需要基類(lèi)中的某一個(gè)類(lèi)是虛基類(lèi)，況且新類(lèi)的開(kāi)發(fā)者也無(wú)法改變已經(jīng)存在的類(lèi)體系。

4、虛繼承在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的使用

C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的iostream就是一個(gè)虛繼承的典型案例。iostream是從istream和ostream直接繼承而來(lái)的，而istream和ostream又都繼承自一個(gè)名為ios的類(lèi)，這個(gè)就是一個(gè)典型的菱形繼承。此時(shí)istream和ostream必須采用虛繼承，否則將導(dǎo)致iostream中保留兩份ios的成員。

iostream相關(guān)的源代碼如下（從gcc-2.95.3版本中摘錄出來(lái)的，內(nèi)容有所省略）：

struct _ios_fields
{ // The data members of an ios.
    streambuf *_strbuf;
    ostream* _tie;
    int _width;
    __fmtflags _flags;
    _IO_wchar_t _fill;
    __iostate _state;
    __iostate _exceptions;
    int _precision;

    void *_arrays; /* Support for ios::iword and ios::pword. */
};

class ios : public _ios_fields
{...};

class istream : virtual public ios
{...};

class ostream : virtual public ios
{...};

class iostream : public istream, public ostream
{
public:
    iostream() { }
    iostream(streambuf* sb, ostream*tied=NULL);
};

5、虛繼承下派生類(lèi)的內(nèi)存布局解析

g++中是沒(méi)有所謂的虛基類(lèi)表的（據(jù)說(shuō)vs是有單獨(dú)一個(gè)虛基類(lèi)表的），只有一個(gè)虛表，由于平時(shí)用的比較多的是虛函數(shù)，所以一般情況下都直接管它叫做虛函數(shù)表，在g++編譯環(huán)境下這種叫法其實(shí)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。測(cè)試程序如下：

#include <iostream>
#include <stdint.h>

class A
{
public:
    long a;
};

class B: virtual public A
{
public:
    long b;
};

class C: virtual public A
{
public:
    long c;
};

class D: public B, public C
{
public:
    void seta(long v) { a = v; }
    void setb(long v) { b = v; }
    void setc(long v) { c = v; }
    void setd(long v) { d = v; }

private:
    long d;
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    D d;
    d.seta(1);
    d.setb(2);
    d.setc(3);
    d.setd(4);
}

類(lèi)D在當(dāng)前編譯器(GCC 4.8.5)下的內(nèi)存布局如圖5-1所示：

從圖5-1中可以看出這個(gè)表和之前這篇文章《一文讀懂C++虛函數(shù)的內(nèi)存模型》講的虛函數(shù)表是差不多的，就多了一個(gè)vbase_offset而已。因?yàn)檫@里的類(lèi)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有把虛函數(shù)加進(jìn)來(lái)，有虛函數(shù)的話(huà)_vptr.B或者_vptr.C下面的內(nèi)存空間存儲(chǔ)的就是指向?qū)?yīng)虛函數(shù)的指針了（以下只講_vptr.B的相關(guān)內(nèi)容，_vptr.C同理就不贅述了）。

這里可以看到_vptr.B指向的是虛函數(shù)的起始地址（因?yàn)檫@里沒(méi)有虛函數(shù)，所以下面緊接著就是_vptr.C的內(nèi)容），而不是與它相關(guān)聯(lián)的全部信息的起始地址，事實(shí)上從圖5-1中可以看出_vptr.B - 3 ~ _vptr.B這個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)都是類(lèi)B虛表的內(nèi)容（不知道編譯器為什么這么設(shè)計(jì)，這里也進(jìn)行揣測(cè)了），這三個(gè)特殊的內(nèi)存地址存儲(chǔ)的內(nèi)容解析如下：

_vptr.B - 1：這里存儲(chǔ)的是typeinfo for D，里面的內(nèi)容其實(shí)也是一個(gè)指針，指向的是類(lèi)D的運(yùn)行時(shí)信息，這些玩意都是為了支持RTTI的。RTTI的相關(guān)內(nèi)容以后會(huì)講，這里就先不多分析了。_vptr.B - 2：這里存儲(chǔ)的是offset_to_top，這個(gè)表示的是當(dāng)前的虛表指針距離類(lèi)開(kāi)頭的距離，可以看到對(duì)于_vptr.B來(lái)說(shuō)這個(gè)值就是0，因?yàn)?code>_vptr.B就存在于類(lèi)D的起始位置，而對(duì)于_vptr.C來(lái)說(shuō)這個(gè)值是-16，大家可以算一下_vptr.C與類(lèi)D的起始位置確實(shí)是差兩個(gè)地址也就是16個(gè)字節(jié)（64位系統(tǒng)），至于為什么是負(fù)數(shù)，這是因?yàn)槎褍?nèi)存是向下增長(zhǎng)的，越往下地址數(shù)值越大。

offset_to_top深度解析：在多繼承中，由于不同基類(lèi)的起點(diǎn)可能處于不同的位置，因此當(dāng)需要將它們轉(zhuǎn)化為實(shí)際類(lèi)型時(shí)，this指針的偏移量也不相同。由于實(shí)際類(lèi)型在編譯時(shí)是未知的，這要求偏移量必須能夠在運(yùn)行時(shí)獲取。實(shí)體offset_to_top表示的就是實(shí)際類(lèi)型起始地址到當(dāng)前這個(gè)形式類(lèi)型起始地址的偏移量。在向上動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換到實(shí)際類(lèi)型時(shí)（即基類(lèi)轉(zhuǎn)派生類(lèi)），讓this指針加上這個(gè)偏移量即可得到實(shí)際類(lèi)型的地址。需要注意的是，由于一個(gè)類(lèi)型即可以被單繼承，也可以被多繼承，因此即使只有單繼承，實(shí)體offset_to_top也會(huì)存在于每一個(gè)多態(tài)類(lèi)型之中。
（這里要注意一點(diǎn)就是offset_to_top只存在于多態(tài)類(lèi)型中，所以我們可以看到在第二小節(jié)那個(gè)例子中，根本就沒(méi)有什么所謂的虛表之類(lèi)的東西，它也就不支持RTTI，最簡(jiǎn)單的大家可以使用dynamic_cast去試試，會(huì)報(bào)錯(cuò)說(shuō)該類(lèi)型不具備多態(tài)性質(zhì)的。那么問(wèn)題來(lái)了，怎樣才能以最簡(jiǎn)短的方式讓它具備多態(tài)的性質(zhì)呢？很簡(jiǎn)單，定義一個(gè)析構(gòu)函數(shù)，用virtual修飾即可）

_vptr.B - 3：這里存儲(chǔ)的是vbase_offset，這個(gè)表示的是當(dāng)前虛表指針與其對(duì)應(yīng)的虛基類(lèi)的距離。從圖中可以看出對(duì)于_vptr.B來(lái)說(shuō)這個(gè)值是40，算一下剛好是_vptr.B與a的差距，_vptr.C同理。

vbase_offset深度解析：以測(cè)試程序?yàn)槔瑢?duì)于類(lèi)型為B的引用，在編譯時(shí)，無(wú)法確定它的虛基類(lèi)A它在內(nèi)存中的偏移量。因此，需要在虛表中額外再提供一個(gè)實(shí)體，表明運(yùn)行時(shí)它的基類(lèi)所在的位置，這個(gè)實(shí)體稱(chēng)為vbase_offset，位于offset_to_top上方。

接下來(lái)我們通過(guò)GDB來(lái)驗(yàn)證一下前面講的內(nèi)容，先打印出變量d的內(nèi)存信息，如圖5-2所示：

從圖5-2中可以看到變量d的內(nèi)容與前面分析的差不多，接下來(lái)我們來(lái)看一下這兩個(gè)虛表的內(nèi)容，如圖5-3所示：

從圖5-3中可以看出前面的內(nèi)存圖是正確的，接下來(lái)就再看一下變量d自身的內(nèi)存布局，如圖5-4所示：

圖5-4顯示出的結(jié)果和前面圖5-1的完全一致，到這里調(diào)試就結(jié)束了，由調(diào)試結(jié)果可以知道圖5-1的內(nèi)存模型是正確的。

這里要補(bǔ)充一點(diǎn)，就是對(duì)于虛繼承下的類(lèi)D，和第二節(jié)那個(gè)沒(méi)有虛繼承的相比，基類(lèi)A的位置被移動(dòng)到了類(lèi)D的最末尾，不過(guò)不用擔(dān)心，運(yùn)行時(shí)可以靠vbase_offset找到它。

6、總結(jié)

本文先是對(duì)虛繼承的概念以及使用場(chǎng)景進(jìn)行了說(shuō)明，然后通過(guò)一個(gè)內(nèi)存模型圖向大家展示了g++下虛繼承的內(nèi)存形態(tài)，最后使用GDB查看實(shí)際的內(nèi)存情況來(lái)驗(yàn)證內(nèi)存模型圖的正確性。本文為了更直觀地展示虛繼承的內(nèi)存模型，示例設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)單，類(lèi)的設(shè)計(jì)中只有一個(gè)成員變量而沒(méi)有成員函數(shù)、虛函數(shù)等其它內(nèi)容。本文與前文《一文讀懂C++虛函數(shù)的內(nèi)存模型》相當(dāng)于拋磚引玉，為下文作鋪墊，在下一篇文章中我將對(duì)一些稍微復(fù)雜一點(diǎn)的情景進(jìn)行分析，看看完整形態(tài)的虛表究竟是什么樣的。

到此這篇關(guān)于關(guān)于C++虛繼承的內(nèi)存模型問(wèn)題的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++虛繼承的內(nèi)存模型內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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