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C++虛繼承的實(shí)現(xiàn)原理由內(nèi)存布局開(kāi)始講起

更新時(shí)間：2022年06月06日 08:59:59 作者：Fred^_^

為了解決多繼承時(shí)的命名沖突和冗余數(shù)據(jù)問(wèn)題，C++提出了虛繼承，使得在派生類(lèi)中只保留一份間接基類(lèi)的成員，下面我們從內(nèi)存布局看看虛繼承的實(shí)現(xiàn)原理

準(zhǔn)備工作

1、VS2012使用命令行選項(xiàng)查看對(duì)象的內(nèi)存布局

微軟的Visual Studio提供給用戶顯示C++對(duì)象在內(nèi)存中的布局的選項(xiàng)：/d1reportSingleClassLayout。使用方法很簡(jiǎn)單，直接在[工具(T)]選項(xiàng)下找到“Visual Studio命令提示(C)”后點(diǎn)擊即可。切換到cpp文件所在目錄下輸入如下的命令即可

c1 [filename].cpp /d1reportSingleClassLayout[className]

其中[filename].cpp就是我們想要查看的class所在的cpp文件，[className]指我們想要查看的class的類(lèi)名。（下面舉例說(shuō)明...）

2、查看普通多繼承子類(lèi)的內(nèi)存布局

既然我們今天講的是虛基類(lèi)和虛繼承，我們就先用上面介紹的命令提示工具查看一下普通多繼承子類(lèi)的內(nèi)存布局，可以跟后文虛繼承子類(lèi)的內(nèi)存布局情況加以比較。

我們新建一個(gè)名叫NormalInheritance的cpp文件，輸入一下內(nèi)容。

/**
	普通繼承（沒(méi)有使用虛基類(lèi)）
*/
// 基類(lèi)A
class A
{
public:
	int dataA;
};
class B : public A
{
public:
	int dataB;
};
class C : public A
{
public:
	int dataC;
};
class D : public B, public C
{
public:
	int dataD;
};

上面是一個(gè)簡(jiǎn)單的多繼承例子，我們啟動(dòng)Visual Studio命令提示功能，切換到NormalInheritance.cpp文件所在目錄，輸入一下命令：

c1 NormalInheritance.cpp /d1reportSingleClassLayoutD

我們可以看到class D的內(nèi)存布局如下：

從類(lèi)D的內(nèi)存布局可以看到A派生出B和C，B和C中分別包含A的成員。再由B和C派生出D，此時(shí)D包含了B和C的成員。這樣D中就總共出現(xiàn)了2個(gè)A成員。大家注意到左邊的幾個(gè)數(shù)字，這幾個(gè)數(shù)字表明了D中各成員在D中排列的起始地址，D中的五個(gè)成員變量（B::dataA、dataB、C::dataA、dataC、dataD）各占用4個(gè)字節(jié)，sizeof(D) = 20。

為了跟后文加以比較，我們?cè)賮?lái)看看B和C的內(nèi)存布局：

虛繼承的內(nèi)存分布情況

上面我們看到了普通多繼承子類(lèi)的內(nèi)存分布情況，下面我們進(jìn)入主題，來(lái)看看典型的菱形虛繼承子類(lèi)的內(nèi)存分布情況。

我們新建一個(gè)名叫VirtualInheritance的cpp文件，輸入一下內(nèi)容：

/**
	虛繼承（虛基類(lèi)）
*/
#include <iostream>
// 基類(lèi)A
class A
{
public:
	int dataA;
};
class B : virtual public A
{
public:
	int dataB;
};
class C : virtual public A
{
public:
	int dataC;
};
class D : public B, public C
{
public:
	int dataD;
};

VirtualInheritance.cpp和NormalInheritance.cpp的不同點(diǎn)在與C和C繼承A時(shí)使用了virtual關(guān)鍵字，也就是虛繼承。同樣，我們看看B、C、D類(lèi)的內(nèi)存布局情況：

我們可以看到，菱形繼承體系中的子類(lèi)在內(nèi)存布局上和普通多繼承體系中的子類(lèi)類(lèi)有很大的不一樣。對(duì)于類(lèi)B和C，sizeof的值變成了12，除了包含類(lèi)A的成員變量dataA外還多了一個(gè)指針vbptr，類(lèi)D除了繼承B、C各自的成員變量dataB、dataA和自己的成員變量外，還有兩個(gè)分別屬于B、C的指針。

那么類(lèi)D對(duì)象的內(nèi)存布局就變成如下的樣子：

vbptr：繼承自父類(lèi)B中的指針
int dataB：繼承自父類(lèi)B的成員變量
vbptr：繼承自父類(lèi)C的指針
int dataC：繼承自父類(lèi)C的成員變量
int dataD：D自己的成員變量
int A：繼承自父類(lèi)A的成員變量

顯然，虛繼承之所以能夠?qū)崿F(xiàn)在多重派生子類(lèi)中只保存一份共有基類(lèi)的拷貝，關(guān)鍵在于vbptr指針。那vbptr到底指的是什么？又是如何實(shí)現(xiàn)虛繼承的呢？其實(shí)上面的類(lèi)D內(nèi)存布局圖中已經(jīng)給出答案：

實(shí)際上，vbptr指的是虛基類(lèi)表指針（virtual base table pointer），該指針指向了一個(gè)虛表（virtual table），虛表中記錄了vbptr與本類(lèi)的偏移地址；第二項(xiàng)是vbptr到共有基類(lèi)元素之間的偏移量。在這個(gè)例子中，類(lèi)B中的vbptr指向了虛表D::$vbtable@B@，虛表表明公共基類(lèi)A的成員變量dataA距離類(lèi)B開(kāi)始處的位移為20，這樣就找到了成員變量dataA，而虛繼承也不用像普通多繼承那樣維持著公共基類(lèi)的兩份同樣的拷貝，節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

為了進(jìn)一步確定上面的想法是否正確，我們可以寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的程序加以驗(yàn)證：

int main()
{
	D* d = new D;
	d->dataA = 10;
	d->dataB = 100;
	d->dataC = 1000;
	d->dataD = 10000;
	B* b = d; // 轉(zhuǎn)化為基類(lèi)B
	C* c = d; // 轉(zhuǎn)化為基類(lèi)C
	A* fromB = (B*) d;
	A* fromC = (C*) d;
	std::cout << "d address    : " << d << std::endl;
	std::cout << "b address    : " << b << std::endl;
	std::cout << "c address    : " << c << std::endl;
	std::cout << "fromB address: " << fromB << std::endl;
	std::cout << "fromC address: " << fromC << std::endl;
	std::cout << std::endl;
	std::cout << "vbptr address: " << (int*)d << std::endl;
	std::cout << "    [0] => " << *(int*)(*(int*)d) << std::endl;
	std::cout << "    [1] => " << *(((int*)(*(int*)d)) + 1)<< std::endl; // 偏移量20
	std::cout << "dataB value  : " << *((int*)d + 1) << std::endl;
	std::cout << "vbptr address: " << ((int*)d + 2) << std::endl;
	std::cout << "    [0] => " << *(int*)(*((int*)d + 2)) << std::endl;
	std::cout << "    [1] => " << *((int*)(*((int*)d + 2)) + 1) << std::endl; // 偏移量12
	std::cout << "dataC value  : " << *((int*)d + 3) << std::endl;
	std::cout << "dataD value  : " << *((int*)d + 4) << std::endl;
	std::cout << "dataA value  : " << *((int*)d + 5) << std::endl;
}

得到結(jié)果為：