C++对象的内存分析（4）

C++对象的内存分析（4）

Binhua Liu

前言

    本章节是4个课题的最后一个，我们将讨论多重继承情况下，对象内存的布局。阅读本文，请思考下面的问题：当子类从多个基类继承，虚函数指针和成员变量将如何布局？编译器如何进行子类和基类之间类型转换？如果多个基类具有同样的虚函数，子类选择哪个实现来调用？如果子类重写该虚函数，那么它覆盖的是哪个基类的实现呢？

多重继承

    我们将分析这样的例子：CFinal类继承自CBasic类和CBasic1类；CBasic类和CBasic1类都定义有虚函数add和minus；CBasic类和CBasic1类都定义有成员变量int i；子类CFinal重写了虚函数add；子类CFinal增加了新的虚函数AVG。类图如下：

 

    代码：

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class CBasic {   public:       CBasic()       {           Array=new int[2];       }       int i;       int *Array;       virtual int add(int a, int b)       {           return a+b;       }       virtual  int minus(int a, int b)       {           return a-b;       }      void HelloWorld()      {          cout<<"hello world"<<endl;      } };   class CBasic1 { public:       virtual int add(int a, int b)       {           cout<<"CBasic1::Add"<<endl;           return a+b;       }      virtual  int minus(int a, int b)       {           cout<<"CBasic1::Minus"<<endl;           return a-b;       }      int i;      int iBasic1; };   class CFinal:public CBasic,public CBasic1 {              int add(int a, int b)       {           cout<<"CFinal::Add"<<endl;           return a+b;       }      virtual  int AVG(int a, int b)       {           cout<<"CFinal::AVG"<<endl;           return (a+b)/2;       }     int iFinal; };

    构造CFinal类对象：

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1	CFinal *f=new CFinal;

 

    我们还是用Watch窗口来观察对象的布局：

 

 

    我们发现，在Watch窗口中打印f->__vfptr是不允许的，这是因为f中有2个虚函数指针，编译器不知道你想引用的是哪一个，因此我们需要把f转换为基类类型才能打印__vfptr,对于成员变量int i也是同样的。通过对内存布局的观察，我们得到这样的CFinal类内存结构图：

    我们发现：

    1）CBasic类对象位于CFinal类对象的前端，相应的，CBasic类的虚函数指针位于CFinal类对象的最前端。这是由于在定义CFinal类时，我们把CBasic类写在前面，编译器把它作为主基类。因此，编译器将在CBasic类的虚函数表表尾增加一个元素，来储存子类新增加的虚函数AVG的地址(请参考分析（2）中关于虚函数AVG在虚函数表中的位置的分析)。

    2）CBasic1对象开始于紧接着CBasic对象结束的位置，CFinal类新增的成员变量存储在CFinal对象的尾端。

    3）对于子类CFinal重写的add方法，在CBasic的虚函数表和CBasic1的虚函数表中，对应的元素都重定向为指向CFinal类的实现。对于CBasic1类来说，这种重定向是通过Thunk技术来实现的（特指VC++。本文将不讨论Thunk技术）。

    下面我们讨论章节开始提出的问题，如果我们用f对象调用minus方法，哪个基类的实现会被调用？同样我们也尝试调用成员变量i，因为2个基类都定义了它。运行下面的代码：

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int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {     CFinal *f=new CFinal;     CBasic *b=(CBasic*)f;     f->minus(4,3); //编译错误,错误码C2385     int x=f->i;     //编译错误,错误码C2385        b->minus(4,3); //成功     int y=b->i;     //成功   return 0; }

  

    我们发现，直接调用minus函数或者i是不被允许的，因为编译器不知道你想调用的是哪个基类的实现！然而，通过类型转换来指定特定的基类再进行调用，则可以成功。

    下一个问题，编译器如何进行子类和基类间的类型转换。对于主基类CBasic来说，这不成问题，因为它位于CFinal对象的最前端，不需要进行指针调整。那么转换为CBasic1类型呢？编译器会在CFinal对象指针的基础上加上12字节，跳过CBasic类对象从而指向CBasic1对象。你可能有这样的问题，为什么编译器知道要加上12字节，而不是13，14字节呢？这是因为编译器知道CFinal对象的布局，它清楚的知道CBasic1对象在CFinal对象中的偏移地址。如果CBasic对象的长度改变了，比如长度增加到16，需要重新编译整个程序，这样使用了CFinal对象的部分在分配地址和类型转换时，也将做出相应的改变。

    关于多态。对于子类中重写（override）的虚函数，在子类所有的虚函数表中对应的元素都被重定向为指向子类的新实现（如果基类有此虚函数的话），因此，无论是转换为哪一个基类，多态都能被实现。

 

结论

    让我们试着为多重继承的情况做出结论（如果你对上面的内容重复一遍没有兴趣，跳过这段）：

    当子类从2个（或多个）带虚函数的基类继承时

    1)子类中，主基类的对象内存位于子类对象内存的最前端，相应地，主基类的虚函数指针地址等于子类对象地址。

    2)子类新增加的虚函数，将在主基类的虚函数表尾增加新的元素元素，来指向其实现。

    3)子类中其他基类的对象位于紧接着主基类结束后的地址。

    4)子类新增的成员变量位于子类对象内存的尾端。

    5)在子类中重写(override)的基类虚函数，在其所有基类的虚函数表中，对应的元素都覆盖为指向子类新实现的地址（通过THUNK技术实现）。

    6）对于多个基类中都定义过的虚函数，如果子类没有重写它，子类对象是不能直接调用的，因为编译器不知道你希望调用的是具体哪个基类的实现。同样，在多个子类中定义的成员变量，也不能被子类对象直接调用。

    5）子类对象转换为基类类型时，除非是主基类，需要进行指针调整，指针加上若干字节，跳过位于其前端的其他基类占用的地址，从而指向需要转换的基类。编译器之所以精确的知道需要偏移的地址，因为它通过类定义清楚地知道子类对象的内存布局。

    6）关于多态。对于子类中重写（override）的虚函数，在子类所有的虚函数表中对应的元素都被重定向为指向子类的新实现（如果基类有此虚函数的话），因此，无论是转换为哪一个基类，多态都能被实现。

 

其他情况

   至此，本文已经把所有经典常见的对象布局情况进行了研究，下面我们再简要的看几个更复杂的情形。

1，菱形多重继承。CFinal类的基类CBasic类和CBasic1类有共同的基类CInitial。

    类图：

    分析：这种情况和Subject4中多重继承的情况没有不同。对于编译器来说，CFinal类对2个基类的处理方式没有因为他们有共同的基类而有什么不同，只是在CFinal类对象中的CBasic类和CBasic类的内部又都分别包含了一个CInitial类。我们在Subject4种得到的所有结论在此都是适用的。

 

2，主基类没有虚函数的多重继承。考虑在Subject4的情况中，把CBasic类中的2个虚函数去掉，使其没有虚函数，在定义CFinal时仍把CBasic写在前面作为主虚函数。

    类图：

    分析：这种情况下，虽然我们把CBasic写在前面，但是CFinal类事实上把CBasic1类，即带虚函数指针和虚函数表的基类作为主基类，把它布局在对象的最前端。内存结构图：

 

 

授权声明

    本文为Binhua Liu原创作品。本文允许复制，修改，传递。转载请注明出处。本文发表于2010年6月25日。