浅析GCC下C++多重继承 & 虚拟继承的对象内存布局

继承是C++作为OOD程序设计语言的三大特征（封装，继承，多态）之一，单一非多态继承是比较好理解的，本文主要讲解GCC环境下的多重继承和虚拟继承的对象内存布局。

一、多重继承

      先看几个类的定义：

 

01 class Top
02  {
03 public:
04       int a;
05  };
06  
07  class Left : public Top
08  {
09 public:
10       int b;
11  };
12  
13  class Right : public Top
14  {
15 public:
16       int c;
17  };
18  
19  class Bottom : public Left, public Right
20  {
21 public:
22       int d;
23  };

 

          不难想象，Left和Right类的内存布局如下图所示：

 

                 

          我们如下进行验证：

 

1 Left *left = new Left();
2 Top *top = left;
3 cout << left <<  '\t' << top << endl;//输出：0x902c008       0x902c008
4 Right *right = new Right();
5 top = right;
6 cout << right << '\t' << top << endl;//输出：0x902c018       0x902c018

 

         从输出结果可以看出，父类指针top指向子类对象left和right的起始地址，与上述内存布局吻合。

 

         在非虚拟多重继承的情况下，子类的内存布局是什么样子的呢？如下所示：

           

          可以看出，Bottom类由于继承了Left和Right，而Left和Right又分别继承了Top。因此，Bottom包含了Top两次！

          下面进行验证：

 

1 Bottom *bottom = new Bottom();   
1 //  top = bottom;     //error: ‘Top’ is an ambiguous base of ‘Bottom’   
1 top = (Left *)bottom;
1 left = bottom;
2 cout << bottom << '\t' << top << '\t' << left << endl;//输出:0x9930028 0x9930028 0x9930028
3 top = (Right *)bottom;
4 right = bottom;
5 cout << bottom << '\t' << top << '\t' << right << endl;//输出:0x9930028 0x9930030 0x9930030
         从输出结果可以看出，left指针和right指针分别指向了bottom对象中它们所处的位置： 
              

        由于bottom对象中存在两部分top对象，因此不能直接用top指针指向bottom对象，因为编译器不知道你的意图到底是指向left中的 bottom部分，还是right中的bottom部分。需要进行转换才可以。如果需要通过bottom指针分别访问left和right中的top部 分，可以如下：  bottom->Left::a，  bottom->Right::a。

 

         好了，到这里讲完了非虚拟继承下的多重继承的内存布局情况，相信大家应该有一个比较清晰的认识了。最重要的一点是： 多重继承时，父类共同继承的祖父类会在子类中有多份存在。

 

 

二、虚拟继承

     平时讨论的最多的是虚函数，很少涉及到虚拟继承的情况。那么，虚拟继承到底是一个什么概念呢？

      先来看一个例子：    

 

01 #include <iostream>
02 using namespace std;
03  
04  class Father
05  {
06 public:
07     int a;
08  };
09  
10  class Child : virtual public Father
11  {
12  public:
13     int b;
14  };
15  
16  int main()
17  {
18     cout << sizeof(Father) << '\t' << sizeof(Child) << endl;//输出：4   12
19     Child child;
20     cout << &child << '\t' << &child.b << '\t' << &child.a << endl;//输出：0xbfc08124 0xbfc08128 0xbfc0812c
21     return 0;
22  }

 

 

 

      对，你没有看错，类的大小输出不是4   8，而是4   12。虚拟继承时，编译器会在子类中安插上一个虚表指针。

      从输出的对象成员地址来看，我们可以得到Child类的如下内存布局：

         

      现在我们对多重继承的例子进行改造：

 

01 class Top
02 {
03 public:
04      int a;
05 };
06  
07 class Left : virtual public Top
08 {
09 public:
10      int b;
11 };
12  
13 class Right : virtual public Top
14 {
15 public:
16     int c;
17 };
18  
19 class Bottom : public Left, public Right
20 {
21 public:
22     int d;
23 };

 

     把Left和Right改成了虚拟继承Top。

 

      从上面验证简单虚拟继承时，编译器安插虚表指针的例子，我们可以想象出此时Bottom类的对象内存布局如下：

        

        对，你没有看错！虚拟继承时，子类只有父类共同继承的祖父类的一份存在。这其实也就是虚拟继承的最大用途。此时，Top，Left，Right和Bottom对象的大小分别为：4  ，12  ，12 ，24。

         既然有虚表指针了，那么Bottom的虚表是什么样的呢？请看：

        

        有了虚表，内存布局情况一目了然。下面我们进行验证：

 

1 Bottom *bottom = new Bottom();
2 top = bottom;
3 cout << bottom << '\t' << top << endl;//输出：0x9fa5028       0x9fa503c
4 Left *left = bottom;
5 cout << bottom << '\t' << left << endl;//输出：0x9fa5028       0x9fa5028
6 Right *right = bottom;
7 cout << bottom << '\t' << right << endl;//输出：0x9fa5028       0x9fa5030

  根据输出结果，我们可以知道指针的指向情况：

    

由于引入了虚指针和虚表，left指针和right指针可以根据虚表提供的偏移量信息，轻松访问到Top::a。


到此为止，已经讨论清楚了多重继承和虚拟继承下的对象内存布局情况。总结下：非虚拟多重继承时，子类会有父类

共同继承祖父类的多份存在；虚拟继承时，子类会被安插一个虚拟指针；多重虚拟继承时，子类只有父类共同继承祖父类的一

份存在。通过父类的虚拟指针，可以正确地访问祖父类中的成员。

posted @ 2013-09-04 20:31  问笑  阅读(681)  评论(0)    收藏  举报