[C++] 虚继承对C++对象内存模型的影响

测试环境

     平台：32位

     编译环境：VS2008

虚继承相关背景

     如:类D继承自类B1、B2，而类B1、B2都继承自类A，因此在类D中两次出现类A中的属性和方法（假设这些属性和方法是公有的且都是公有继承）。从设计角度讲，这个实现是错误的，它容易产生二义性且浪费内存空间。

     虚继承可以解决这个问题，虚继承可以为最远的派生类提供唯一的基类成员，而不重复产生多次拷贝。

问题：从一个例子开始

     假设有虚继承结构如下，虚基类A中有int成员a_；B1虚继承自A，有int成员b1_；B2虚继承自A，有int成员b2_；D继承自B1、B2，有int成员d_。

     在32位架构下，类A、B1、B2、D的大小？哎！我比较笨！只好写个程序看看结果先。

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public :
    int a_ ;
};

class B1 : virtual public A
{
public :
    int b1_ ;
};

class B2 : virtual public A
{
public :
    int b2_ ;
};

class D : public B1, public B2
{
public :
    int d_ ;
};

int main (void)
{
    cout << "sizeof(A) = " << sizeof(A) << endl;
    cout << "sizeof(B1) = " << sizeof(B1)<< endl;
    cout << "sizeof(D) = " << sizeof(D) << endl;

    return 0;
}

    运行结果如下：

     sizeof(A)的结果符合我们的预期，但是sizeof(B1)和sizeof(D)的结果就有点不能理解了。

分析：从查看B1类对象成员属性的地址开始

     我们不妨先构造一个B1类对象，然后打印该对象中的各个属性地址来看看究竟。

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public :
    int a_ ;
};

class B1 : virtual public A
{
public :
    int b1_ ;
};

class B2 : virtual public A
{
public :
    int b2_ ;
};

class D : public B1, public B2
{
public :
    int d_ ;
};

int main (void)
{
    cout << "sizeof(A) = " << sizeof(A) << endl;
    cout << "sizeof(B1) = " << sizeof(B1)<< endl;
    cout << "sizeof(D) = " << sizeof(D) << endl << endl;

    B1 ob1;
    cout << "&ob1 = 0x" << &ob1 << endl;
    cout << "&ob1.a_ = 0x" << &ob1.a_ << endl;
    cout << "&ob1.b1_ = 0x" << &ob1.b1_ << endl;

    return 0;
}

     运行结果如下：

     我们发现ob1的首地址既不等于成员a_的地址也等于成员b1_的地址。那从首地址开始的4个字节存放的是什么内容呢？

分析：B1类对象内存模型

     下面来分析原理，根据刚才获取的B1类大小以及该类对象中各个属性的地址分布，绘制B1类内存模型图如下：

     从内存模型图中可以看出：该对象的内存分为B1部分和虚基类部分。从B1部分的首地址开始的4个字节存放的是一个vbptr（B1部分的虚基类表指针），该指针指向了一个虚基类表（virtual base table of B1），这个虚基类表中存放了：

• B1部分首地址与vbptr(B1)所在地址之差，即0x0013F8AC - 0x0013F8AC = 0。
• 虚基类部分首地址与vbptr(B1)所在地址之差，即0x0013F8B4 - 0x0013F8AC = 8。

     好了，我们来验证下该内存模型是否正确。

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public :
    int a_ ;
};

class B1 : virtual public A
{
public :
    int b1_ ;
};

class B2 : virtual public A
{
public :
    int b2_ ;
};

class D : public B1, public B2
{
public :
    int d_ ;
};

int main (void)
{
    cout << "sizeof(A) = " << sizeof(A) << endl;
    cout << "sizeof(B1) = " << sizeof(B1)<< endl;
    cout << "sizeof(D) = " << sizeof(D) << endl << endl;

    B1 ob1;
    cout << "&ob1 = 0x" << &ob1 << endl;
    cout << "&ob1.a_ = 0x" << &ob1.a_ << endl;
    cout << "&ob1.b1_ = 0x" << &ob1.b1_ << endl << endl;

    long ** pVbptr = (long **)&ob1;
    cout << "virtual base table of B1 : " << endl;
    cout << "  [0] : " << pVbptr[0][0] << endl;
    cout << "  [1] : " << pVbptr[0][1] << endl;

    return 0;
}

     运行结果如下：

分析：D类对象内存模型

     有了前面的分析，下面的分析就简单多了。我们还是构造一个D类对象，然后打印下该对象中各个属性的地址。

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public :
    int a_ ;
};

class B1 : virtual public A
{
public :
    int b1_ ;
};

class B2 : virtual public A
{
public :
    int b2_ ;
};

class D : public B1, public B2
{
public :
    int d_ ;
};

int main (void)
{
    cout << "sizeof(A) = " << sizeof(A) << endl;
    cout << "sizeof(B1) = " << sizeof(B1)<< endl;
    cout << "sizeof(D) = " << sizeof(D) << endl << endl;

    D od;
    cout << "&od = 0x" << &od << endl;
    cout << "&od.a_ = 0x" << &od.a_ << endl;
    cout << "&od.b1_ = 0x" << &od.b1_ << endl;
    cout << "&od.b2 = 0x" << &od.b2_ << endl;
    cout << "&od.d_ = 0x" << &od.d_ << endl;

    return 0;
}

     运行结果如下：

     根据运行结果绘制D类对象内存模型图如下：

    至于原理：在前面也已经说明了，这里就不再赘述了。

扩展：访问D类对象的成员变量是如何实现的？

     当有一个虚基类指针指向了派生类对象，那么这次指向只是简单的赋值吗？

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public :
    int a_ ;
};

class B1 : virtual public A
{
public :
    int b1_ ;
};

class B2 : virtual public A
{
public :
    int b2_ ;
};

class D : public B1, public B2
{
public :
    int d_ ;
};

int main (void)
{   
    D od;
    A* pa;
    pa = &od;

    return 0;
}

     我们在32行设置下断点，单步运行后发现：

     pa真正的值不等于&od，更有意思的是它们的偏移量为0x001DFEBC - 0x001DFEA8，也就是20（10进制）。

     因此可以确定的是：在pa=&od执行时，程序内部会先通过该对象中的vbptr，然后通过vbptr（虚基类表指针）找到vbtbl（虚基类表），最终在vbtbl中找到虚基类表中虚基类部分与vbptr的偏移值，然后将指针指向加上偏移值的地址。

总结

    本文针对虚继承情况，分析了在32位架构+VS2008编译环境下类对象内存模型，虽然有与分析内容相符合的运行结果，但这并不代表所有编译条件下（如g++）构造的内存模型都如上述情况（不同编译器：虚基类部分在整个对象模型中的位置会有些差异）。不过话又说回来，它们生成对象模型的原理其实都是类似的。

（完）