【整理】C++虚函数及其继承、虚继承类大小

参考文章：

http://blog.chinaunix.net/uid-25132162-id-1564955.html

http://blog.csdn.net/haoel/article/details/1948051/

 

一、虚函数与继承

1、空类，空类单继承，空类多继承的sizeof

#include <iostream>
using namespace std;

class Base1
{

};

class Base2
{

};

class Derived1:public Base1
{

};

class Derived2:public Base1, public Base2
{

};

int main() 
{ 
    Base1 b1;
    Base2 b2;
    Derived1 d1;
    Derived2 d2;
    cout<<"sizeof(Base1) = "<<sizeof(Base1)<<" sizeof(b1) = "<<sizeof(b1)<<endl;
     cout<<"sizeof(Base2) = "<<sizeof(Base2)<<" sizeof(b2) = "<<sizeof(b2)<<endl;
    cout<<"sizeof(Derived1) = "<<sizeof(Derived1)<<" sizeof(d1) = "<<sizeof(d1)<<endl;
    cout<<"sizeof(Derived2) = "<<sizeof(Derived2)<<" sizeof(d1) = "<<sizeof(d1)<<endl;
  
    return 0; 
}

结果为：

sizeof(Base1) = 1 sizeof(b1) = 1

sizeof(Base2) = 1 sizeof(b2) = 1

sizeof(Derived1) = 1 sizeof(d1) = 1

sizeof(Derived2) = 1 sizeof(d1) = 1

可以看出所有的结果都是1。

2、含有虚函数的类以及虚继承类的sizeof

　　虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表（Virtual Table）来实现的。编译器必需要保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证正确取到虚函数的偏移量）。

假设我们有这样的一个类：

class Base {

public:

virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }

};

　　当我们定义一个这个类的实例，Base b时，其b中成员的存放如下：

指向虚函数表的指针在对象b的最前面。

　　虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符""一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下，这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，这个值是如果1，表示还有下一个虚函数表，如果值是0，表示是最后一个虚函数表。

　　因为对象b中多了一个指向虚函数表的指针，而指针的sizeof是4，因此含有虚函数的类或实例最后的sizeof是实际的数据成员的sizeof加4。

　　下面将讨论针对基类含有虚函数的继承讨论

（1）在派生类中不对基类的虚函数进行覆盖，同时派生类中还拥有自己的虚函数，比如有如下的派生类：

class Derived: public Base
{

public:

virtual void f1() { cout << "Derived::f1" << endl; }

virtual void g1() { cout << "Derived::g1" << endl; }

virtual void h1() { cout << "Derived::h1" << endl; }

};

基类和派生类的关系如下：

　　当定义一个Derived的对象d后，其成员的存放如下：

　　可以发现：

    1）虚函数按照其声明顺序放于表中。

    2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。

　　此时基类和派生类的sizeof都是数据成员的sizeof加4。

（2）在派生类中对基类的虚函数进行覆盖，假设有如下的派生类：

class Derived: public Base
{

public:

virtual void f() { cout << "Derived::f" << endl; }

virtual void g1() { cout << "Derived::g1" << endl; }

virtual void h1() { cout << "Derived::h1" << endl; }

};

　　基类和派生类之间的关系：其中基类的虚函数f在派生类中被覆盖了

　　当我们定义一个派生类对象d后，其d的成员存放为：

　　可以发现：

　　1）覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

　　2）没有被覆盖的函数依旧。

　　这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，

　　Base *b = new Derive();

　　b->f();

　　由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

（3）多继承：无虚函数覆盖

　　假设基类和派生类之间有如下关系：

　　对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

　　我们可以看到：

　　1） 每个父类都有自己的虚表。

　　2） 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）

　　由于每个基类都需要一个指针来指向其虚函数表，因此d的sizeof等于d的数据成员加3*4=12。

（4）多重继承，含虚函数覆盖

　　假设，基类和派生类又如下关系：派生类中覆盖了基类的虚函数f

　　下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

　　我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。如：

Derive d;

Base1 *b1 = &d;

Base2 *b2 = &d;

Base3 *b3 = &d;

b1->f(); //Derive::f()

b2->f(); //Derive::f()

b3->f(); //Derive::f()

b1->g(); //Base1::g()

b2->g(); //Base2::g()

b3->g(); //Base3::g()

3、一个关于含虚函数及虚继承的sizeof计算

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void f();
    virtual void g();
    virtual void h();
};

class Derived1: public Base
{
public:
    virtual void f1();
    virtual void g1();
    virtual void h1();
};

class Derived2:public Base
{
public:
    virtual void f();
    virtual void g1();
    virtual void h1();
};

class Derived3:virtual public Base
{
public:
    virtual void f1();
    virtual void g1();
    virtual void h1();
};

class Derived4:virtual public Base
{
public:
    virtual void f();
    virtual void g1();
    virtual void h1();
};

class Derived5:virtual public Base
{
public:
    virtual void f();
    virtual void g();
    virtual void h();
};

class Derived6:virtual public Base
{

};

int main() 
{ 
    cout<<sizeof(Base)<<endl; //4
    cout<<sizeof(Derived1)<<endl; //4
    cout<<sizeof(Derived2)<<endl; //4
    cout<<sizeof(Derived3)<<endl; //12
    cout<<sizeof(Derived4)<<endl; //12
    cout<<sizeof(Derived5)<<endl; //8
    cout<<sizeof(Derived6)<<endl; //8

    return 0; 
}

　　对于Base, Derived1和Derived2的结果根据前面关于继承的分析是比较好理解的，不过对于虚继承的方式则有点不一样了，根据结果自己得出的一种关于虚继承的分析，如对Derived3或Derived4定义一个对象d,其里面会出现三个跟虚函数以及虚继承的指针，因为是虚继承，因此引入一个指针指向虚继承的基类，第二由于在基类中有虚函数，因此需要指针指向其虚函数表，由于派生类自己本身也有自己的虚函数，因为采取的是虚继承，因此它自己的虚函数不会放到基类的虚函数表的后面，而是另外分配一个只存放自己的虚函数的虚函数表，于是又引入一个指针，从例子中看到Derived5和Derived6的结果是8，原因是在派生类要么没有自己的虚函数，要么全部都是对基类虚函数的覆盖，因此就少了指向其派生类自己的虚函数表的指针，故结果要少4。（这个是个人的分析，但原理不知道是不是这样的）

 

二、不同编译器下的虚继承

1、对虚继承层次的对象的内存布局，在不同编译器实现有所区别。

首先，说说GCC的编译器.

它实现比较简单，不管是否虚继承，GCC都是将虚表指针在整个继承关系中共享的，不共享的是指向虚基类的指针。

class A {

    int a;

    virtual ~A(){}

};

class B:virtual public A{

    virtual void myfunB(){}

};

class C:virtual public A{

    virtual void myfunC(){}

};

class D:public B,public C{

    virtual void myfunD(){}

};

　　以上代码中sizeof(A)=8,sizeof(B)=12,sizeof(C)=12,sizeof(D)=16.

　　解释：A中int+虚表指针。B，C中由于是虚继承因此大小为A+指向虚基类的指针，B,C虽然加入了自己的虚函数，但是虚表指针是和基类共享的，因此不会有自己的虚表指针。D由于B,C都是虚继承，因此D只包含一个A的副本，于是D大小就等于A+B中的指向虚基类的指针+C中的指向虚基类的指针。

如果B,C不是虚继承，而是普通继承的话，那么A,B,C的大小都是8(没有指向虚基类的指针了)，而D由于不是虚继承，因此包含两个A副本，大小为16.注意此时虽然D的大小和虚继承一样，但是内存布局却不同。

然后，来看看VC的编译器

　　vc对虚表指针的处理比GCC复杂，它根据是否为虚继承来判断是否在继承关系中共享虚表指针，而对指向虚基类的指针和GCC一样是不共享，当然也不可能共享。

　　代码同上。

　　运行结果将会是sizeof(A)=8,sizeof(B)=16,sizeof(C)=16,sizeof(D)=24.

　　解释：A中依然是int+虚表指针。B，C中由于是虚继承因此虚表指针不共享，由于B,C加入了自己的虚函数，所以B,C分别自己维护一个虚表指针，它指向自己的虚函数。（注意：只有子类有新的虚函数时，编译器才会在子类中添加虚表指针）因此B,C大小为A+自己的虚表指针+指向虚基类的指针。D由于B,C都是虚继承，因此D只包含一个A的副本，同时D是从B,C普通继承的，而不是虚继承的，因此没有自己的虚表指针。于是D大小就等于A+B的虚表指针+C的虚表指针+B中的指向虚基类的指针+C中的指向虚基类的指针。

　　同样，如果去掉虚继承，结果将和GCC结果一样，A,B,C都是8，D为16，原因就是VC的编译器对于非虚继承，父类和子类是共享虚表指针的。

　　利用visual studio 命令提示(2008)，到xx.cpp 文件目录下 运行cl /d1 reportSingleClassLayoutB xx.cpp

　　第一个vfptr 指向B的虚表，第二个vbptr指向A,第三个指向A的虚表，因为是虚拟继承，所以子类中有一个指向父类的虚基类指针，防止菱形继承中数据重复，这样在菱形继承中，不会出现祖先数据重复，而只指向祖先数据的指针。