【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"\0"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。

posted @ 2014-07-07 16:35  不专业的程序猴子  阅读(7232)  评论(0编辑  收藏  举报