C++对象模型：g++实现（二）

上一篇博客《C++对象模型：g++实现（一）》用我的理解总结了在无继承体系下g++实现的C++对象的内存布局，这篇就来总结一下在有继承情况下的C++对象的内存布局。
本文中所有代码均可从这里拿到（百度网盘）。

1. 有继承情况下的C++对象的内存布局

C++是支持多继承的，而多继承可能就会出现继承的两个（或多个）类有公共的父类，为了防止在一个对象中出现多个公共父类的实体，C++就提出了虚继承。因此总的来说C++的继承有两种：无虚继承和有虚继承。

1.1 无虚继承

在无虚继承情况下，无论是public继承还是protected、private继承，其内存布局都是一样的，因此这里只提供public继承的例子。

1.1.1 所有的基类和派生类都没有虚函数

在这种情况下，其实就相当于构造了一个对象，其内部按基类的声明顺序添加了各个基类对象，最后再添加派生类自己的对象，其对齐要求和类作为（非静态）成员变量是一样的。

// test09.cpp
#include <cstdio>
 
class Base1 {
public:
    Base1(int i, char c)
    :m_i(i), m_c(c)
    {}
private:        // 在Deriverd中：
    int m_i;    //   Offset: 0
    char m_c;   //   Offset: 4
};              //   size: 8
 
class Base2{
public:
    Base2(short s, int i)
    : m_s(s), m_i(i) {}
private:        // 在Deriverd中：
    short m_s;  //   Offset: 8 
    int m_i;    //   Offset: 10
};              //   size: 8
 
class Derived: public Base1, public Base2 {
public:
    Derived(int i1, char c, short s, int i2, long l)
    : Base1(i1, c), Base2(s, i2), m_l(l)
    {}
    long getLong() const { return m_l; }
private:
    long m_l;   //   Offset: 16
};              //   size: 8 + 8 + 8 = 24
 
int main() {
    std::printf("sizeof Derived: %d\n", static_cast<int>(sizeof(Derived)));
    Derived d(1, static_cast<char>(2), static_cast<short>(3), 4, static_cast<long>(5));
    long l = d.getLong();
}
 
// Output:
//   sizeof Derived: 24

使用gdb调试，查看内存布局，如下：

如果不是按基类整体作为一个（非静态）成员变量的话，Base2::m_s的offset应为6，但实际上其offset为8，因为Base2的对齐要求为4。

1.1.2 基类无虚函数，派生类有虚函数

这个也很简单，只需要在整个类的头部安插一个虚表指针vptr即可。

// test10.cpp
// 只是令Derived::getLong()为虚函数
#include <cstdio>
 
class Base1 {
public:
    Base1(int i, char c)
    :m_i(i), m_c(c)
    {}
private:        // 在Deriverd中：
    int m_i;    //   Offset: 0
    char m_c;   //   Offset: 4
};              //   size: 8
 
class Base2{
public:
    Base2(short s, int i)
    : m_s(s), m_i(i) {}
private:        // 在Deriverd中：
    short m_s;  //   Offset: 8 
    int m_i;    //   Offset: 10
};              //   size: 8
 
class Derived: public Base1, public Base2 {
public:
    Derived(int i1, char c, short s, int i2, long l)
    : Base1(i1, c), Base2(s, i2), m_l(l)
    {}
    virtual                                     // 仅在此有改动
    long getLong() const { return m_l; }
private:
    long m_l;   //   Offset: 16
};              //   size: 8 + 8 + 8 = 24
 
int main() {
    std::printf("sizeof Derived: %d\n", static_cast<int>(sizeof(Derived)));
    Derived d(1, static_cast<char>(2), static_cast<short>(3), 4, static_cast<long>(5));
    long l = d.getLong();
}
 
// Output:
//   sizeof Derived: 32

1.1.3 基类也有虚函数

在这种情况下，派生类会继承基类的虚函数，也会复用基类放置虚表指针的内存位置，无论基类有没有定义虚函数，有没有新增虚函数，都不会增加新的虚表指针，而是复用基类的虚表指针的内存位置。

// test11.cpp
// 添加了：
//   virtual char Base1::getChar();
//           int  Base1::getIntOfBase1();
//   virtual char Base2::getShort();
//           int  Base2::getIntOfBase2();
//   virtual int  Derived::getInt();
#include <cstdio>
 
class Base1 {
public:
    Base1(int i, char c)
    :m_i(i), m_c(c)
    {}
    virtual
    char getChar() const { return m_c; }        // ! 添加
    int getIntOfBase1() const { return m_i; }   // ! 添加
private:
    int m_i;
    char m_c;
};
 
class Base2{
public:
    Base2(short s, int i)
    : m_s(s), m_i(i) {}
 
    virtual
    short getShort() const { return m_s; }      // ! 添加
    int getIntOfBase2() const { return m_i; }   // ! 添加
 
private:
    short m_s;
    int m_i;
};
 
class Derived: public Base1, public Base2 {
public:
    Derived(int i1, char c, short s, int i2, long l)
    : Base1(i1, c), Base2(s, i2), m_l(l)
    {}
    virtual
    long getLong() const { return m_l; }
 
    virtual
    int getInt() { return getIntOfBase2(); }    // ! 添加
private:
    long m_l;
};
 
int main() {
    std::printf("sizeof Derived: %d\n", static_cast<int>(sizeof(Derived)));
    Derived d(1, static_cast<char>(2), static_cast<short>(3), 4, static_cast<long>(5));
    auto c = d.getChar();
    auto s = d.getShort();
    auto i = d.getInt();
}
 
// Output:
//   sizeof Derived: 40

使用gdb调试编译出来的程序，如下：

我们可以看到只有两个虚函数表，是继承自Base1和Base2的。
我们再看一下这两个虚函数表里面的内容：

可以看到Base1的虚表里面，Base1::vptr[0]为Base1::getChar()的地址，Base1::vptr[2]为Derived::getInt()的地址；在Base2的虚表里面，Base2::vptr[0]为Base2::getShort()的地址。
那Base1::vptr[1]是什么地址？我们现在还没有看到Derived::getLong()这个虚函数，是它的地址吗？查看该地址处的反汇编代码可知，确实如此。

至此，我们可以总结在基类有虚函数的时候C++的内存布局了：派生类新增的虚函数并不会导致新的虚表指针的诞生，而是会复用第一个虚表指针，使其指向一个新的虚表，这个虚表前几项都是基类的虚函数地址（当然，如果派生类覆写[override]了该虚函数，新的虚函数地址会在该位置覆盖基类的虚函数地址），后面则是派生类的虚函数地址。

1.1.4 指针的调整

为了支持多态，C++支持将派生类的指针赋值给基类的指针，那C++是如何保证这个指针能正确索引到成员变量和成员函数的呢？
其实很简单，在派生类中，有着完整的基类对象，包括基类的虚函数指针，而且虚函数表中的虚函数地址也已经被正确设置，因此只需要把指针调整到该基类对应的位置即可。如：

// file test12.cpp
#include <cstdio>
 
class Base1 {
public:
    Base1(int i, char c)
    :m_i(i), m_c(c)
    {}
    virtual
    char getChar() const { return m_c; }
    int getIntOfBase1() const { return m_i; }
private:
    int m_i;
    char m_c;
};
 
class Base2{
public:
    Base2(short s, int i)
    : m_s(s), m_i(i) {}
 
    virtual
    short getShort() const { return m_s; }
    int getIntOfBase2() const { return m_i; }
 
private:
    short m_s;
    int m_i;
};
 
class Derived: public Base1, public Base2 {
public:
    Derived(int i1, char c, short s, int i2, long l)
    : Base1(i1, c), Base2(s, i2), m_l(l)
    {}
    virtual
    long getLong() const { return m_l; }
 
    virtual
    int getInt() { return getIntOfBase2(); }
private:
    long m_l;
};
 
int main() {
    Derived d(1, static_cast<char>(2), static_cast<short>(3), 4, static_cast<long>(5));
    Derived* pd = &d;
    // Base1 在Derived类开头，不需要调整指针
    Base1* pb1 = pd;
    // Base2 在Derived类0x10偏移处，
    // pb2 = (pd == nullptr ? nullptr : pd + 0x10)
    Base2* pb2 = pd;
}

反汇编正如注释：

1.2 有虚继承

按照《深度探索C++对象模型》的描述，对于有虚继承的类，会有一个偏移量值表征当前指针与虚基类基址距离的偏移量。那么这个偏移量在哪里？在对象实例的内存布局中？还是在虚表里面？如果在虚表里面会不会添加新的虚表指针？还是继续复用基类的虚表指针？

// test13.cpp
 
class Point2D {
public:
    Point2D(int x, int y)
        : m_x(x), m_y(y)
    {}
    virtual
    int getX() const { return m_x; }
private:
    int m_x;
    int m_y;
};
 
class Point3D: virtual public Point2D {
public:
    Point3D(int x, int y, int z)
    : Point2D(x, y), m_z(z)
    {}
    virtual
    int getZ() {  return m_z; }
private:
    int m_z;
};
 
class VertexInterface {
public:
    virtual
    VertexInterface* getNext() = 0;
};
 
class Vertex: virtual public Point2D, public VertexInterface {
public:
    Vertex(int x, int y, Vertex* next)
    : Point2D(x, y), m_next(next)
    {}
 
    virtual
    Vertex* getNext() override { return m_next; }
private:
    Vertex* m_next;
};
 
class Vertex3D: public Point3D, public Vertex {
public:
    Vertex3D(int x, int y ,int z, int mumble)
    : Point3D(x, y, z),
      Vertex(x, y, nullptr),
      Point2D(x, y)，
      m_mumble(mumble)
    {}
    virtual
    long getMumble()
    { return m_mumble; }
private:
    int m_mumble;
};
 
int main() {
    Point3D p3d(1,2,3);
    Point3D* pp3d = &p3d;
    Point2D* pp2d = pp3d;
 
    Vertex vex(1, 2, nullptr);
    Vertex* next = vex.getNext();
 
    Vertex3D v3d(1, 2, 3, 4);
    Vertex3D* pv3d = &v3d;
    Point2D* pp2d_1 = pv3d;
 
    int mumble = v3d.getMumble();
}

1.2.1 派生类的所有非虚基类里都没有虚表指针

对上面代码生成的程序使用gdb进行调试。

首先查看各个类对象的size。
我们可以看到，Point2D的size为16，这是可以预见的，虚表指针vptr占用8个字节，两个int类型的非static成员变量占用8个字节，一共16个字节。
而Point3D的size为32，虚基类Point2D的size为16，对齐要求为8，自己的一个int类型的非static成员变量占用4个字节，如果没有新添加东西，则加上对齐要求则只需要24字节size，说明必然加了新的东西，要么是基类offset，要么是新的虚表指针。

可以看到虚基类Point2D被放在了offset0x10的位置，而Point3D::m_z在offset0x8，那在offset0x0的位置那里的是什么？可以确定不是虚基类的偏移，因为虚基类的偏移为0x10，那就应该是虚表指针了，那offset会在里面吗？

可以看到在vptr[-3]处有一个0x10的值，那虚基类的偏移量会是在vptr[-3]处吗？，我们看一下反汇编是如何对指针进行操作的。

可以看到汇编代码也正是这样做的，相当于：pp2d = (pp3d == nulltr ? nullptr : pp3d + vptr[-3])。其中vptr为位于Point3D开头，保存虚基类的虚表指针，而不是虚基类Point2D的虚表指针.
也就是说虚基类的偏移量不会保存在对象的内存布局中，而是放在虚表中，而派生类不会复用虚基类的虚表指针（也应该这样，虚基类都找不到怎么用它的虚表指针找偏移量）。而且派生类的虚表指针和新成员变量是放在类的开头的，并不是像没有虚继承那样基类对象在最开头（offset0x0的位置）。
其实在《深度探索C++对象模型》中说的是虚基类的偏移放到了vptr[-1]的位置，但我们知道在g++的实现里这个位置给了该类对应的typeinfo对象，g++实际上将虚基类偏移量放在了vptr[-3]。

1.2.2 派生类的非虚基类里都有虚表指针

那么如果派生类还继承（非虚继承）了其他有虚函数表指针的类，那么派生类会不会复用其虚表指针呢？类Vertex正是这样，Point2D是它的虚基类，而VertexInterface是它的普通基类。类Point2D的size为16，VertexInterface的size为8（只包含一个虚表指针）。Vertex还有自己的成员变量m_next，size为8，这样就凑够32个字节了，说明Vertex没有生成自己的虚表指针，会复用非虚基类的虚表指针。

从调试结果来看，g++会在派生类的最前面按照生命顺序放置非虚基类对象，然后放置派生类自己的成员，最后放置虚基类对象。

1.2.3 派生类继承了拥有公共虚基类的两个类

我们来算一下Vertex3D类里面的各个成员及其size，首先Point3D除了虚基类Point2D外还有16字节（虚表指针8，int成员4，对齐4），Vertex除了虚基类Point2D外还有16字节（VertexInterface的虚表指针8，Vertex*成员8），Vertex3D自己的int成员4字节，最后虚基类Point2D的size为16，对齐为8，所以前面要填充4字节一共16+16+4+4+16=56字节。正好是Vertex3D类的大小，所以继承有公共虚基类的两个类不会增加虚表指针，而是直接复用基类的虚表指针，用gdb查看可以看到其内存布局正如上面所言。

所以，对于派生了继承了有公共虚基类的两个类，g++会将非虚基类的所有成员按声明顺序在内存中排列，再将派生类自己的成员放在内存里，最后就是虚基类。
最后，在使用分析类对象的时候，可以使用 p /x {objName}来查看对象内容和各个成员的值，我在写这篇博客的时候就忘记对Vertex3D::m_mumble成员初始化，结果其是一个未初始化的值，而且我还我忘记了Vertex3D内还有这个成员，一直没发现这个是什么值，不知道为什么出现了这未知的8字节，使用p /x v3d命令后才发现是Vertex3D::m_mumble，浪费了很多时间。自己还有很多要提升的地方，gdb的这个用法来自《C++ 虚函数之一：对象内存布局》。最后给大家展示一下p /x v3d后的结果：

(gdb) p /x v3d
$2 = {<Point3D> = {<Point2D> = {_vptr.Point2D = 0x8201b70 <vtable for Vertex3D+96>, m_x = 0x1, m_y = 0x2}, _vptr.Point3D = 0x8201b28 <vtable for Vertex3D+24>,
    m_z = 0x3}, <Vertex> = {<VertexInterface> = {_vptr.VertexInterface = 0x8201b50 <vtable for Vertex3D+64>}, m_next = 0x0}, m_mumble = 0x4}

《深度探索C++对象模型》里还有对于成员指针的讲解，但这篇博文已经很长了，就放在下一篇总结吧。