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:
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 class Top 2 { 3 public: 4 int a; 5 }; 6 7 class Left : public Top 8 { 9 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:
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
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:
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 Bottom *bottom = new Bottom(); 2 // top = bottom; //error: ‘Top’ is an ambiguous base of ‘Bottom’ 3 top = (Left *)bottom; 4 left = bottom; 5 cout << bottom << '\t' << top << '\t' << left << endl;//输出:0x9930028 0x9930028 0x9930028 6 top = (Right *)bottom; 7 right = bottom; 8 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:
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:
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
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:
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
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:
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
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。
参考文献:
1.http://www.tbdata.org/archives/878
2. 《深度探索C++对象模型》