虛繼承之單繼承的內存佈局

C++2.0以後全面支持虛函數與虛繼承,這兩個特性的引入爲C++增強了不少功能,也引入了不少煩惱。虛函數與虛繼承有哪些特性,今天就不記錄了,如果能搞瞭解一下編譯器是如何實現虛函數和虛繼承,它們在類的內存空間中又是如何佈局的,卻可以對C++的瞭解深入不少。這段時間花了一些時間瞭解這些玩意,搞得偶都,不過總算有些收穫,嘿嘿。

先看一段代碼
class A
{
      virtual aa(){};
};

class B : public virtual  A
{
      char j[3];                                    //加入一個變量是爲了看清楚class中的vfptr放在什麼位置
      public:
            virtual bb(){};
};
class C : public virtual B
{
      char i[3];
      public:
            virtual cc(){};
};

這次先不給結果,先分析一下,也好加強一下印象。
1、對於class A,由於只有一個虛函數,那麼必須得有一個對應的虛函數表,來記錄對應的函數入口地址。同時在class A的內存空間中之需要有個vfptr_A指向該表。sizeof(A)也很容易確定,爲4。
2、對於class B,由於class B虛基礎了class A,同時還擁有自己的虛函數。那麼class B中首先擁有一個vfptr_B,指向自己的虛函數表。還有char j[3],做一次alignment,一般大小爲4。可虛繼承該如何實現咧?this is 啊 problem!偶之前是不曉得的,還好C++ Object Model上有介紹。首先要通過加入一個虛l類指針(記vbptr_B_A)來指向其父類,然後還要包含父類的所有內容。有些複雜了,不過還不難想象。sizeof(B)= 4+4+4+4=16(vfptr_B、char j[3]做alignment、vbptr_B_A和class A)。
3、在接着是class C了。class C首先也得有個vfptr_C,然後是char i[3],然後是vbptr_C_B,然後是class B,所以sizeof(C)=4+4+4+16=28(vfptr_C、char i[3]做alignment、vbptr_C_A和class B)。

在VC 6.0下寫了個程序,把上面幾個類的大小打印出來,果然結果爲4、16、28。hoho搞定!真的搞定了?也許經過上面的分析,雖然每個類具體的內存佈局還不大清楚,但其中的內容應該不會錯了。嘿嘿,在沒跟蹤時偶確實也是這麼想的,但結果卻是……

VC中虛繼承的內存佈局——單繼承
畫了個圖,簡單表示一下我跟蹤後的結果


虛基礎之單繼承時的內存佈局圖

class A的情況太簡單,沒問題。從class B的內存佈局圖可以得出下面的結論。
1、vf_ptr B放在了類的首部,那麼如果要想直接拿memcpy完成類的複製是很危險的,用struct也是不行的。改天再深入學習一下struct 和class的區別,可以看出這裏的差別來。
2、vbtbl_ptr_B,爲什麼不是先前我描述的vbptr_B_A呢?因爲這個指針與我先前猜測的內容有很大區別。這個指針指向的是class B的虛類表(嗯,俺自個兒起的名字,實在是學藝不精)。看看VB table,VB table有兩項,第一項爲FFFFFFFC,這一項的值可能沒啥意義,可能是爲了保證虛類表不爲空吧。第二項爲8,看起來像是class B中的class A相對該vbtbl_ptr_B的位移,也就是一個offset。類似的方法在C++ Object Model(P121)有介紹,可以去看看。
class C的內存佈局就比較複雜了,不過它的內存佈局也更一步說明我對vbtbl_ptr_B中的內容,也就是虛類表的理解是正確的。不過值得關注的是class B中的class A在佈局時被移到前面去了,雖然整個大小沒變,但這樣一來如果做這樣的操作  C c; B *b;b=&c;時b的操作如何呢?此時只要從c的虛類表裏獲得class B的位置既可賦值給b。但是在構建class C時會複雜一些,後面的使用還是非常簡單的,效率也比較高。class A的內存佈局被前移可能是考慮倒C的虛繼承順序吧

結論
1、VC在編譯時會把vfptr放到類的頭部;
2、VC採用虛表指針(vbtbl_ptr)來確定某個類所繼承的虛類。
3、VC會重新調整虛繼承的父類在子類中內存佈局。(具體規則還不清楚)
4、VC中虛類表中的第一項是無意義的,可能是爲了保證sizeof(虛類表)!=0;後面的內容爲父類在子類中相對該虛類表指針的偏移量。

目前看來虛繼承在單一繼承時的內存佈局還是比較清晰的,不過多重繼承呢?這就太bt了,簡單的多重繼承還沒弄清楚呢,再來個虛繼承,豈不只有。以後等俺有興趣的時候,在找這事做吧。

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