C++虚继承(三) --- C++ 对象的内存布局(下)(陈皓)
C++?對象的內存布局(下)
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陳皓
http://blog.csdn.net/haoel
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重復繼承
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下面我們再來看看，發生重復繼承的情況。所謂重復繼承，也就是某個基類被間接地重復繼承了多次。
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下圖是一個繼承圖，我們重載了父類的f()函數。
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其類繼承的源代碼如下所示。其中，每個類都有兩個變量，一個是整形（4字節），一個是字符（1字節），而且還有自己的虛函數，自己overwrite父類的虛函數。如子類D中，f()覆蓋了超類的函數，?f1()和f2()?覆蓋了其父類的虛函數，Df()為自己的虛函數。
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class?B
{
????public:
????????int?ib;
????????char?cb;
????public:
????????B():ib(0),cb('B') {}
?
????????virtual?void?f() { cout <<?"B::f()"?<< endl;}
????????virtual?void?Bf() { cout <<?"B::Bf()"?<< endl;}
};
class?B1 :??public?B
{
????public:
????????int?ib1;
????????char?cb1;
????public:
????????B1():ib1(11),cb1('1') {}
?
????????virtual?void?f() { cout <<?"B1::f()"?<< endl;}
????????virtual?void?f1() { cout <<?"B1::f1()"?<< endl;}
????????virtual?void?Bf1() { cout <<?"B1::Bf1()"?<< endl;}
?
};
class?B2:??public?B
{
????public:
????????int?ib2;
????????char?cb2;
????public:
????????B2():ib2(12),cb2('2') {}
?
????????virtual?void?f() { cout <<?"B2::f()"?<< endl;}
????????virtual?void?f2() { cout <<?"B2::f2()"?<< endl;}
????????virtual?void?Bf2() { cout <<?"B2::Bf2()"?<< endl;}
???????
};
?
class?D :?public?B1,?public?B2
{
????public:
????????int?id;
????????char?cd;
????public:
????????D():id(100),cd('D') {}
?
????????virtual?void?f() { cout <<?"D::f()"?<< endl;}
????????virtual?void?f1() { cout <<?"D::f1()"?<< endl;}
????????virtual?void?f2() { cout <<?"D::f2()"?<< endl;}
????????virtual?void?Df() { cout <<?"D::Df()"?<< endl;}
???????
};
我們用來存取子類內存布局的代碼如下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）
????typedef?void(*Fun)(void);
????int** pVtab = NULL;
????Fun pFun = NULL;
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????D d;
????pVtab = (int**)&d;
????cout <<?"[0] D::B1::_vptr->"?<< endl;
????pFun = (Fun)pVtab[0][0];
????cout <<?"?????[0] ";????pFun();
????pFun = (Fun)pVtab[0][1];
????cout <<?"?????[1] ";????pFun();
????pFun = (Fun)pVtab[0][2];
????cout <<?"?????[2] ";????pFun();
????pFun = (Fun)pVtab[0][3];
????cout <<?"?????[3] ";????pFun();
????pFun = (Fun)pVtab[0][4];
????cout <<?"?????[4] ";????pFun();
????pFun = (Fun)pVtab[0][5];
????cout <<?"?????[5] 0x"?<< pFun << endl;
???
????cout <<?"[1] B::ib = "?<< (int)pVtab[1] << endl;
????cout <<?"[2] B::cb = "?<< (char)pVtab[2] << endl;
????cout <<?"[3] B1::ib1 = "?<< (int)pVtab[3] << endl;
????cout <<?"[4] B1::cb1 = "?<< (char)pVtab[4] << endl;
?
????cout <<?"[5] D::B2::_vptr->"?<< endl;
????pFun = (Fun)pVtab[5][0];
????cout <<?"?????[0] ";????pFun();
????pFun = (Fun)pVtab[5][1];
????cout <<?"?????[1] ";????pFun();
????pFun = (Fun)pVtab[5][2];
????cout <<?"?????[2] ";????pFun();
????pFun = (Fun)pVtab[5][3];
????cout <<?"?????[3] ";????pFun();
????pFun = (Fun)pVtab[5][4];
????cout <<?"?????[4] 0x"?<< pFun << endl;
?
????cout <<?"[6] B::ib = "?<< (int)pVtab[6] << endl;
????cout <<?"[7] B::cb = "?<< (char)pVtab[7] << endl;???
????cout <<?"[8] B2::ib2 = "?<< (int)pVtab[8] << endl;
????cout <<?"[9] B2::cb2 = "?<< (char)pVtab[9] << endl;
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????cout <<?"[10] D::id = "?<< (int)pVtab[10] << endl;
????cout <<?"[11] D::cd = "?<< (char)pVtab[11] << endl;
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程序運行結果如下：
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| GCC 3.4.4 | VC++ 2003 |
| [0] D::B1::_vptr-> ?????[0] D::f() ?????[1] B::Bf() ?????[2] D::f1() ?????[3] B1::Bf1() ?????[4] D::f2() ?????[5] 0x1 [1] B::ib = 0 [2] B::cb = B [3] B1::ib1 = 11 [4] B1::cb1 = 1 [5] D::B2::_vptr-> ?????[0] D::f() ?????[1] B::Bf() ?????[2] D::f2() ?????[3] B2::Bf2() ?????[4] 0x0 [6] B::ib = 0 [7] B::cb = B [8] B2::ib2 = 12 [9] B2::cb2 = 2 [10] D::id = 100 [11] D::cd = D | [0] D::B1::_vptr-> ?????[0] D::f() ?????[1] B::Bf() ?????[2] D::f1() ?????[3] B1::Bf1() ?????[4] D::Df() ?????[5] 0x00000000 [1] B::ib = 0 [2] B::cb = B [3] B1::ib1 = 11 [4] B1::cb1 = 1 [5] D::B2::_vptr-> ?????[0] D::f() ?????[1] B::Bf() ?????[2] D::f2() ?????[3] B2::Bf2() ?????[4] 0x00000000 [6] B::ib = 0 [7] B::cb = B [8] B2::ib2 = 12 [9] B2::cb2 = 2 [10] D::id = 100 [11] D::cd = D |
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下面是對于子類實例中的虛函數表的圖：
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我們可以看見，最頂端的父類B其成員變量存在于B1和B2中，并被D給繼承下去了。而在D中，其有B1和B2的實例，于是B的成員在D的實例中存在兩份，一份是B1繼承而來的，另一份是B2繼承而來的。所以，如果我們使用以下語句，則會產生二義性編譯錯誤：
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D d;
d.ib = 0;???????????????//二義性錯誤
d.B1::ib = 1;???????????//正確
d.B2::ib = 2;???????????//正確
注意，上面例程中的最后兩條語句存取的是兩個變量。雖然我們消除了二義性的編譯錯誤，但B類在D中還是有兩個實例，這種繼承造成了數據的重復，我們叫這種繼承為重復繼承。重復的基類數據成員可能并不是我們想要的。所以，C++引入了虛基類的概念。
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鉆石型多重虛擬繼承
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虛擬繼承的出現就是為了解決重復繼承中多個間接父類的問題的。鉆石型的結構是其最經典的結構。也是我們在這里要討論的結構：
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上述的“重復繼承”只需要把B1和B2繼承B的語法中加上virtual?關鍵，就成了虛擬繼承，其繼承圖如下所示：
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上圖和前面的“重復繼承”中的類的內部數據和接口都是完全一樣的，只是我們采用了虛擬繼承：其省略后的源碼如下所示：
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class?B {……};
class?B1 :?virtual?public?B{……};
class?B2:?virtual?public?B{……};
class?D :?public?B1,?public?B2{?……?};
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在查看D之前，我們先看一看單一虛擬繼承的情況。下面是一段在VC++2003下的測試程序：（因為VC++和GCC的內存而局上有一些細節上的不同，所以這里只給出VC++的程序，GCC下的程序大家可以根據我給出的程序自己仿照著寫一個去試一試）：
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????int** pVtab = NULL;
????Fun pFun = NULL;
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????B1 bb1;
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????pVtab = (int**)&bb1;
????cout <<?"[0] B1::_vptr->"?<< endl;
????pFun = (Fun)pVtab[0][0];
????cout <<?"?????[0] ";
????pFun();?//B1::f1();
????cout <<?"?????[1] ";
????pFun = (Fun)pVtab[0][1];
????pFun();?//B1::bf1();
????cout <<?"?????[2] ";
????cout << pVtab[0][2] << endl;
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????cout <<?"[1] = 0x";
????cout << (int*)*((int*)(&bb1)+1) <<endl;?//B1::ib1
????cout <<?"[2] B1::ib1 = ";
????cout << (int)*((int*)(&bb1)+2) <<endl;?//B1::ib1
????cout <<?"[3] B1::cb1 = ";
????cout << (char)*((int*)(&bb1)+3) << endl;?//B1::cb1
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????cout <<?"[4] = 0x";
????cout << (int*)*((int*)(&bb1)+4) << endl;?//NULL
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????cout <<?"[5] B::_vptr->"?<< endl;
????pFun = (Fun)pVtab[5][0];
????cout <<?"?????[0] ";
????pFun();?//B1::f();
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實際測試的時候上面這個函數調用的時候出現了問題,崩潰,(VS2008)
改成下面這樣就可以了,(主要就是把cout放在前面,不知道為什么)(下面那個鉆石型繼承也出現了同樣的問題,父類虛函數調用,同樣的解決方案)
cout << "[5] B::_vptr->" << endl;
cout << " ? ? [0] ";
pFun = (Fun)pVtab[5][0];
pFun(); //B1::f();
----------------------------------------------------------------------------
????pFun = (Fun)pVtab[5][1];
????cout <<?"?????[1] ";
????pFun();?//B::Bf();
????cout <<?"?????[2] ";
????cout <<?"0x"?<< (Fun)pVtab[5][2] << endl;
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????cout <<?"[6] B::ib = ";
????cout << (int)*((int*)(&bb1)+6) <<endl;?//B::ib
????cout <<?"[7] B::cb = ";
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其運行結果如下（我結出了GCC的和VC++2003的對比）：
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| GCC 3.4.4 | VC++ 2003 |
| [0] B1::_vptr -> ????[0] : B1::f() ????[1] : B1::f1() ????[2] : B1::Bf1() ????[3] : 0 [1] B1::ib1 : 11 [2] B1::cb1 : 1 [3] B::_vptr -> ????[0] : B1::f() ????[1] : B::Bf() ????[2] : 0 [4] B::ib : 0 [5] B::cb : B [6] NULL : 0 | [0] B1::_vptr-> ?????[0] B1::f1() ?????[1] B1::Bf1() ?????[2] 0 [1] = 0x00454310??該地址取值后是-4 [2] B1::ib1 = 11 [3] B1::cb1 = 1 [4] = 0x00000000 [5] B::_vptr-> ?????[0] B1::f() ?????[1] B::Bf() ?????[2] 0x00000000 [6] B::ib = 0 [7] B::cb = B |
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這里，大家可以自己對比一下。關于細節上，我會在后面一并再說。
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下面的測試程序是看子類D的內存布局，同樣是VC++ 2003的（因為VC++和GCC的內存布局上有一些細節上的不同，而VC++的相對要清楚很多，所以這里只給出VC++的程序，GCC下的程序大家可以根據我給出的程序自己仿照著寫一個去試一試）：
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????D d;
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????pVtab = (int**)&d;
????cout <<?"[0] D::B1::_vptr->"?<< endl;
????pFun = (Fun)pVtab[0][0];
????cout <<?"?????[0] ";????pFun();?//D::f1();
????pFun = (Fun)pVtab[0][1];
????cout <<?"?????[1] ";????pFun();?//B1::Bf1();
????pFun = (Fun)pVtab[0][2];
????cout <<?"?????[2] ";????pFun();?//D::Df();
????pFun = (Fun)pVtab[0][3];
????cout <<?"?????[3] ";
????cout << pFun << endl;
?
????//cout << pVtab[4][2] << endl;
????cout <<?"[1] = 0x";
????cout <<??(int*)((&dd)+1) <<endl;?//????
?
????cout <<?"[2] B1::ib1 = ";
????cout << *((int*)(&dd)+2) <<endl;?//B1::ib1
????cout <<?"[3] B1::cb1 = ";
????cout << (char)*((int*)(&dd)+3) << endl;?//B1::cb1
?
????//---------------------
????cout <<?"[4] D::B2::_vptr->"?<< endl;
????pFun = (Fun)pVtab[4][0];
????cout <<?"?????[0] ";????pFun();?//D::f2();
????pFun = (Fun)pVtab[4][1];
????cout <<?"?????[1] ";????pFun();?//B2::Bf2();
????pFun = (Fun)pVtab[4][2];
????cout <<?"?????[2] ";
????cout << pFun << endl;
???
????cout <<?"[5] = 0x";
????cout << *((int*)(&dd)+5) << endl;?// ???
?
????cout <<?"[6] B2::ib2 = ";
????cout << (int)*((int*)(&dd)+6) <<endl;?//B2::ib2
????cout <<?"[7] B2::cb2 = ";
????cout << (char)*((int*)(&dd)+7) << endl;?//B2::cb2
?
????cout <<?"[8] D::id = ";
????cout << *((int*)(&dd)+8) << endl;?//D::id
????cout <<?"[9] D::cd = ";
????cout << (char)*((int*)(&dd)+9) << endl;//D::cd
?
????cout <<?"[10]??= 0x";
????cout << (int*)*((int*)(&dd)+10) << endl;
????//---------------------
????cout <<?"[11] D::B::_vptr->"?<< endl;
????pFun = (Fun)pVtab[11][0];
????cout <<?"?????[0] ";????pFun();?//D::f();
????pFun = (Fun)pVtab[11][1];
????cout <<?"?????[1] ";????pFun();?//B::Bf();
????pFun = (Fun)pVtab[11][2];
????cout <<?"?????[2] ";
????cout << pFun << endl;
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????cout <<?"[12] B::ib = ";
????cout << *((int*)(&dd)+12) << endl;?//B::ib
????cout <<?"[13] B::cb = ";
????cout << (char)*((int*)(&dd)+13) <<endl;//B::cb
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下面給出運行后的結果（分VC++和GCC兩部份）
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| GCC 3.4.4 | VC++ 2003 |
| [0] B1::_vptr -> ????[0] : D::f() ????[1] : D::f1() ????[2] : B1::Bf1() ????[3] : D::f2() ????[4] : D::Df() ????[5] : 1 [1] B1::ib1 : 11 [2] B1::cb1 : 1 [3] B2::_vptr -> ????[0] : D::f() ????[1] : D::f2() ????[2] : B2::Bf2() ????[3] : 0 [4] B2::ib2 : 12 [5] B2::cb2 : 2 [6] D::id : 100 [7] D::cd : D [8] B::_vptr -> ????[0] : D::f() ????[1] : B::Bf() ????[2] : 0 [9] B::ib : 0 [10] B::cb : B [11] NULL : 0 | [0] D::B1::_vptr-> ?????[0] D::f1() ?????[1] B1::Bf1() ?????[2] D::Df() ?????[3] 00000000 [1] = 0x0013FDC4????該地址取值后是-4 [2] B1::ib1 = 11 [3] B1::cb1 = 1 [4] D::B2::_vptr-> ?????[0] D::f2() ?????[1] B2::Bf2() ?????[2] 00000000 [5] = 0x4539260?????該地址取值后是-4 [6] B2::ib2 = 12 [7] B2::cb2 = 2 [8] D::id = 100 [9] D::cd = D [10]??= 0x00000000 [11] D::B::_vptr-> ?????[0] D::f() ?????[1] B::Bf() ?????[2] 00000000 [12] B::ib = 0 [13] B::cb = B |
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關于虛擬繼承的運行結果我就不畫圖了（前面的作圖已經讓我產生了很嚴重的厭倦感，所以就偷個懶了，大家見諒了）
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看到圖片容易理解,他不畫了我給他補上:
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在上面的輸出結果中，我用不同的顏色做了一些標明。我們可以看到如下的幾點：
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1）無論是GCC還是VC++，除了一些細節上的不同，其大體上的對象布局是一樣的。也就是說，先是B1（黃色），然后是B2（綠色），接著是D（灰色），而B這個超類（青藍色）的實例都放在最后的位置。
2）關于虛函數表，尤其是第一個虛表，GCC和VC++有很重大的不一樣。但仔細看下來，還是VC++的虛表比較清晰和有邏輯性。
3）VC++和GCC都把B這個超類放到了最后，而VC++有一個NULL分隔符把B和B1和B2的布局分開。GCC則沒有。
4）VC++中的內存布局有兩個地址我有些不是很明白，在其中我用紅色標出了。取其內容是-4。接道理來說，這個指針應該是指向B類實例的內存地址（這個做法就是為了保證重復的父類只有一個實例的技術）。但取值后卻不是。這點我目前還并不太清楚，還向大家請教。
5）GCC的內存布局中在B1和B2中則沒有指向B的指針。這點可以理解，編譯器可以通過計算B1和B2的size而得出B的偏移量。
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結束語
C++這門語言是一門比較復雜的語言，對于程序員來說，我們似乎永遠摸不清楚這門語言背著我們在干了什么。需要熟悉這門語言，我們就必需要了解C++里面的那些東西，需要我們去了解他后面的內存對象。這樣我們才能真正的了解C++，從而能夠更好的使用C++這門最難的編程語言。
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在文章束之前還是介紹一下自己吧。我從事軟件研發有十個年頭了，目前是軟件開發技術主管，技術方面，主攻Unix/C/C++，比較喜歡網絡上的技術，比如分布式計算，網格計算，P2P，Ajax等一切和互聯網相關的東西。管理方面比較擅長于團隊建設，技術趨勢分析，項目管理。歡迎大家和我交流，我的MSN和Email是：haoel@hotmail.com?
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的C++虚继承(三) --- C++ 对象的内存布局(下)(陈皓)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： C++虚继承(二) --- C++ 对象
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