钻石型虚拟多重继承的C++对象内存模型

关于C++对象内存布局的资料和书籍也有很多，比如陈皓老师的博客：

1、C++对象的内存布局（上）

2、C++对象的内存布局（下）

白杨：

RTTI、虚函数和虚基类的实现方式、开销分析及使用指导

左手为你画猜：

C++类对象内存模型与成员函数调用分析（上、中、下）

关于讲解C++对象内存模型最好的书应该是侯捷老师翻译的《深度探索C++对象内存模型》。

这两天在看其他书籍时，对C++中虚拟继承的实现机制不太理解，于是又重新翻回《深度探索C++对象内存模型》一书，并结合C++对象的内存布局（下）一文。在Visual Studio 2010下用“cl”编译器进行测试，查看虚拟多重继承下的C++对象内存模型。总结如下：

一、重复继承

所谓重复继承，即某个基类被间接地重复继承了多次。为方便对比说明，下面的代码采用了陈皓老师博客中C++类例子。

UML类图如下：

类继承的源代码如下，直接采用C++对象的内存布局（下）中的例子，相关解释已在原博客中详细说明，故在此不再赘述：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class B
 5 {
 6 public:
 7     int ib;
 8     char cb;
 9 public:
10     B():ib(0),cb('B')
11     {}
12     virtual void f()
13     {
14         cout<<"B::f()"<<endl;
15     }
16     virtual void Bf()
17     {
18         cout<<"B::Bf()"<<endl;
19     }
20 };
21 
22 class B1:public B
23 {
24 public:
25     int ib1;
26     char cb1;
27 public:
28     B1():ib1(01),cb1('1'){}
29 
30     virtual void f()
31     {
32         cout<<"B1::f()"<<endl;
33     }
34     virtual void f1()
35     {
36         cout<<"B1::f1()"<<endl;
37     }
38     virtual void Bf1()
39     {
40         cout<<"B1::Bf1()"<<endl;
41     }
42 };
43 
44 class B2:public B
45 {
46 public:
47     int ib2;
48     char cb2;
49 public:
50     B2():ib2(10),cb2('2'){}
51     virtual void f()
52     {
53         cout<<"B2::f()"<<endl;
54     }
55     virtual void f2()
56     {
57         cout<<"B2::f2()"<<endl;
58     }
59     virtual void Bf2()
60     {
61         cout<<"B2::Bf2()"<<endl;
62     }
63 };
64 
65 class D: public B1, public B2
66 {
67 public:
68     int id;
69     char cd;
70 public:
71     D():id(100),cd('D'){}
72 
73     virtual void f()
74     {
75         cout<<"D::f()"<<endl;
76     }
77     virtual void f1()
78     {
79         cout<<"D::f1()"<<endl;
80     }
81     virtual void f2()
82     {
83         cout<<"D::f2()"<<endl;
84     }
85     virtual void Df()
86     {
87         cout<<"D::Df()"<<endl;
88     }
89 
90 };
91 int main(int argc, char *argv[])
92 {
93     D d;
94     system("pause");
95     return 0;
96 }

在陈皓老师博客中，直接利用函数指针调用C++对象起始位置处虚函数表指针指向的虚函数表中的虚函数，以查看C++对象的内存模型。下面我们主要采用Visual Studio 2010 和 Visual C++下的“cl”编译器查看C++对象内存模型。

在Visual Studio 2010 IDE开发环境中，我们查看派生类D对象的内存模型。如下图所示：

  

从上两图我们可以基本看出：

1、派生类D对象d的内存布局中，由其基类依次组装而成，再加上派生类自己的成员变量。

2、其中基类布局依次按照在派生类中的声明顺序排列。

3、每个基类都有自己的虚函数表，指向虚函数表的指针_vfptr放置在最前面的位置。

为了再进一步了解重复继承中的C++对象内存模型，我们采用Visual C++下的“cl”编译器进行查看。

在“Microsoft Visual C++”的编译环境中，我们可以利用编译器“cl”、链接器“link”、可执行文件查看器“dumpbin”来查看Windows下可执行文件（COFF格式）的变量、函数怎么存储。

“cl”即Visual C++ 的编译器，即“Compiler”的缩写。在Visual Studio 2010安装完后，会有一个批处理文件用来建立运行这些工具所需要的环境。它位于开始/程序/Microsoft Visual Studio 2010/Visual Studio Tools/Viusual Studio 2010 Command Prompt,这样我们就可以利用命令行使用VC++的编译器了。

在“cl”编译器中有个编译选项可以查看C++类的内存布局，使用如下：打开Visual Studio的命令行提示符即Viusual Studio 2010 Command Prompt，按如下格式输入：

>cl [.cpp] /d1reportSingleClassLayout[classname]

d1reportSingleClassLayout可以查看源文件中所有类及结构体的内存布局，classname为类名，/d1reportSingleClassLayout[classname]之间没有空格。使用如下图所示：

使用cl编译器查看重复继承中的C++对象内存模型结果如下图所示：

 从上图可以看出，编译器在实现时使用了字节对齐（Alignment），以实现在对象内存中存取更有效率。字节对齐就是将数值调整到某数的整数倍，在32位计算机中，通常Alignment为4bytes，以使bus的“运输量”达到最高效率。

可以看出，派生类D对象在内存中占有44个字节。

 重复继承中的C++对象内部模型用图片表示如下：

从图中可以看出，在派生类D中，存在着两份基类B的成员实例，分别为ib和cb，所以在C++对象的内存布局（下）指出这样可能会出现二义性编译错误。我们可以指定类作用域符::进行限定来消除二义性，也可以在语言层面利用虚拟继承机制来解决。

二、钻石型多重虚拟继承

 在《深度探索C++对象模型》中提到：一个virtual base class subobject只会在derived class中存在一份实体，不管它在class继承体系中出现多少次！

因此，虚拟继承的就是为了解决重复继承中多个间接父类的问题。钻石型的结构就是最经典的虚拟多重继承结构。

UML类图如下：

 

 

如上图，让B1和B2各自维护的一个B子对象，折叠成一个由D维护的单一的B子对象，并且还可以保存基类和派生类的指针之间的多态指定操作，这对于编译器实现来说，难度非常高。《深度探索C++对象模型》提到一般的实现方法如下所述：将D对象分割为两部分，一个不变局部和一个共享局部。不变局部中的数据，不管后继如何衍化，总是拥有固定的偏移量，所以这一部分数据可以被直接存取，至于共享局部，所表现的就是虚拟继承的基类子对象，这一部分的数据，其位置会因为每次的派生操作而有变化，所以它们是间接存取。

所以，一般的布局策略是安排好派生类对象的不变部分，然后再建立其共享部分。在接下来的分析可以看出，VC++编译器实现中，在每一个派生类对象中插入一些指针vbptr，每个指针指向一个虚拟继承的基类子对象。要存取继承得来的基类子对象，可以使用相关指针间接完成。

要实现虚拟继承，我们只需要在B1和B2继承B的语法中加入virtual关键字即可。实现代码如下：

 

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class B
 5 {
 6 public:
 7     int ib;
 8     char cb;
 9 public:
10     B():ib(0),cb('B')
11     {}
12     virtual void f()
13     {
14         cout<<"B::f()"<<endl;
15     }
16     virtual void Bf()
17     {
18         cout<<"B::Bf()"<<endl;
19     }
20 };
21 
22 class B1:virtual public B
23 {
24 public:
25     int ib1;
26     char cb1;
27 public:
28     B1():ib1(01),cb1('1'){}
29 
30     virtual void f()
31     {
32         cout<<"B1::f()"<<endl;
33     }
34     virtual void f1()
35     {
36         cout<<"B1::f1()"<<endl;
37     }
38     virtual void Bf1()
39     {
40         cout<<"B1::Bf1()"<<endl;
41     }
42 };
43 
44 class B2:virtual public B
45 {
46 public:
47     int ib2;
48     char cb2;
49 public:
50     B2():ib2(10),cb2('2'){}
51     virtual void f()
52     {
53         cout<<"B2::f()"<<endl;
54     }
55     virtual void f2()
56     {
57         cout<<"B2::f2()"<<endl;
58     }
59     virtual void Bf2()
60     {
61         cout<<"B2::Bf2()"<<endl;
62     }
63 };
64 
65 class D: public B1, public B2
66 {
67 public:
68     int id;
69     char cd;
70 public:
71     D():id(100),cd('D'){}
72 
73     virtual void f()
74     {
75         cout<<"D::f()"<<endl;
76     }
77     virtual void f1()
78     {
79         cout<<"D::f1()"<<endl;
80     }
81     virtual void f2()
82     {
83         cout<<"D::f2()"<<endl;
84     }
85     virtual void Df()
86     {
87         cout<<"D::Df()"<<endl;
88     }
89 
90 };
91 int main(int argc, char *argv[])
92 {
93     D d;
94     system("pause");
95     return 0;
96 }

View Code

 

使用cl编译器查看钻石型虚拟重复继承中的C++对象内存模型结果如下图所示：

 

 

从上图可以看出，虚拟重复继承中的派生类D对象在内存中占有52字节，比之前多了8个字节。

 虚拟重复继承中的C++对象内部模型用图片表示如下：

 

从图中可以看出，VC++编译器在实现虚拟继承时，在派生类的对象中安插了两个vbptr指针。因此，对每个继承自虚基类的类实例，将增加一个隐藏的“虚基类表指针”（vbptr）成员变量，从而达到间接计算虚基类位置的目的。该变量指向一个全类共享的偏移量表，表中项目记录了对于该类而言，“虚基类表指针”与虚基类之间的偏移量。由上可以看出，B1虚基类表指针vbptr与虚基类B之间的偏移量是40字节，B2虚基类表指针vbptr与虚基类B之间的偏移量是24字节。第一项中-4的含义：表示的是vptr和vbptr的距离，如果B1中没有虚函数的定义，这个地方就会是0。vbptr就是存放在vptr下面的位置。

我们注意到在虚拟继承的C++对象内存布局中，还有一个4个字节的vtordisp字段，vtordisp在MSDN中这样解释：

Enables the addition of the hidden vtordisp construction/destruction displacement member. The vtordisp pragma is applicable only to code that uses virtual bases. If a derived class overrides a virtual function that it inherits from a virtual base class, and if a constructor or destructor for the derived class calls that function using a pointer to the virtual base class, the compiler may introduce additional hidden “vtordisp” fields into classes with virtual bases.

也就是说如果虚拟继承中派生类重写了基类的虚函数，并且在构造函数或者析构函数中使用指向基类的指针调用了该函数，编译器会为虚基类添加vtordisp域。

但在本例中，vtordisp为什么存在于C++派生类对象中，对象如何使用它，我却不得而知，希望向大家请教。

至此，我们已经分析完在VC++编译器实现中的重复继承和钻石型虚拟重复继承的C++对象内存模型。这篇博客也花了大概4个小时，时间挺久，但非常值得，希望大家多多指教。

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