C++数组中多态问题分析

首先这是从酷壳网看到陈皓和云风两位大牛们讨论的一个问题，这里记录一下自己的理解。问题如下，先看一段代码

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public :
    Base(){}
    virtual ~Base(){
        cout<<"Base::~Base()"<<endl;
    }
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived(){}
    virtual ~Derived(){
        cout<<"Derived::~Derived()"<<endl;
    }

    int member;
};

int main()
{
    Derived *pd = new Derived[3];
    Base *pb = new Derived[3];

    delete[] pd;
    delete[] pb;

    return 0;
}

这段代码是不能正常工作的，在执行第30行时将内存出错，如下

Administrator@attention /e/Code
$ g++ -g Poly.cpp -o poly -lstdc++

Administrator@attention /e/Code
$ gdb -q poly.exe
Reading symbols from e:\Code\poly.exe...done.
(gdb) b 30
Breakpoint 1 at 0x401453: file Poly.cpp, line 30.
(gdb) r
Starting program: e:\Code\poly.exe
[New Thread 5132.0x8b0]
Derived::~Derived()
Base::~Base()
Derived::~Derived()
Base::~Base()
Derived::~Derived()
Base::~Base()

Breakpoint 1, main () at Poly.cpp:30
30          delete[] pb;
(gdb) n
Derived::~Derived()
Base::~Base()

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x00401477 in main () at Poly.cpp:30
30          delete[] pb;
(gdb)

可乍一看，也没什么错啊！利用基类指针操作子类对象，通常的多态不就是这样做的吗？但这里出错，不是多态的问题，而是内存管理的问题，而且还是C语言内存管理的问题。具体原因还得从C++对象实例的成员结构说起。含有虚函数的C++对象实例，是利用虚函数表来实现多态的，在继承体系中，动态的将虚函数表中的指针修改为具体类虚函数成员的地址，来实现利用基类指针调用子类不同实现方法的目的，即多态。为了达到这一目的，C++编译器将对象中虚函数表的指针放在对象的首部，之后才是各个成员变量。那么用基类指针指向子类对象时，虚函数表就可以直接相互对应上。具体请看 

(gdb) p *pd
$1 = {<Base> = {_vptr.Base = 0x452b98}, member = -17891602}
(gdb) p *pb
$2 = {_vptr.Base = 0x403180}

 好了了解这些之后，再回到刚才的问题，为什么会出现内存出错呢？仔细看一下gdb，单步跟踪30行执行n之后，是有打印一次"Derived::~Derived()"和"Base::~Base()"的，紧接着就出现SIGSEGV了，可见动态分配的数组中第一个成员的操作结果是正常的，那么显然是从第二个成员开始出错的。现在回想一下，在C/C++数组中，如何从上一个数组成员偏移到下一个数组成员呢？简单是将当前成员的地址+成员的尺寸，操作方法简单是将当指向上一个元素的指针进行++操作，注意这里我着重将计算方法的两个元素高亮来，上面代码出错也就是在这里。利用基类指针指向一个子类对象数组的起始地址之后，若直接利用基类指针做++操作，“成员的尺寸”使用的是基类的尺寸，而不是子类的，那么刚才的代码中，在操作第一个成员之后，意图进行偏移指向第二个成员时，由于基类和子类尺寸不相同，“成员的尺寸”不正确，而导致操作之后，基类指针不再正确的指向第二个元素了，那么虚函数表的指向也就是错误的，再进行析构函数调用，那么必然出错。

上面这些分析，是自己对陈皓大牛博文中分析过程的理解，叙述的可能不太准确。为此，我额外写了一段代码验证来一把

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public :
    Base(){}
    virtual ~Base(){
        cout<<"Base::~Base()"<<endl;
    }
    virtual void Method(void){
        cout<<"Base::Mehod"<<endl;
    }
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived(){}
    virtual ~Derived(){
        cout<<"Derived::~Derived()"<<endl;
    }
    virtual void Method(void){
        cout<<"Derived::Mehod"<<endl;
    }

    int member;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Derived *pd = new Derived[3];
    Base *pb = pd;

    pb++;
    pb->Method();

    delete[] pd;

    return 0;
}

 按照上面的分析，该段代码将预期在36行出错，实际GDB跟踪如下

Administrator@attention /e/Code
$ g++ -g poly2.cpp -o poly2 -lstdc++

Administrator@attention /e/Code
$ ./poly2.exe

Administrator@attention /e/Code
$ gdb -q poly2.exe
Reading symbols from e:\Code\poly2.exe...done.
(gdb) b 35
Breakpoint 1 at 0x4013e2: file poly2.cpp, line 35.
(gdb) r
Starting program: e:\Code\poly2.exe
[New Thread 4212.0x13cc]

Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0x2f2bc0) at poly2.cpp:35
warning: Source file is more recent than executable.
35          pb++;
(gdb) n
36          pb->Method();
(gdb) n

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x004013f0 in main (argc=1, argv=0x2f2bc0) at poly2.cpp:36
36          pb->Method();
(gdb)

结果和预期一样，证明自己的分析是符合事实的。