前言

07年12月，我寫了一篇《C++虛函數(shù)表解析》的文章，引起了大家的興趣。有很多朋友對我的文章留了言，有鼓勵(lì)我的，有批評我的，還有很多問問題的。我在這里一并對大家的留言表示感謝。這也是我為什么再寫一篇續(xù)言的原因。因?yàn)椋谏弦黄恼轮校矣昧说氖纠际欠浅：唵蔚模饕菫榱苏f明一些機(jī)理上的問題，也是為了圖一些表達(dá)上方便和簡單。不想，這篇文章成為了打開C++對象模型內(nèi)存布局的一個(gè)引子，引發(fā)了大家對C++對象的更深層次的討論。當(dāng)然，我之前的文章還有很多方面沒有涉及，從我個(gè)人感覺下來，在談?wù)撎摵瘮?shù)表里，至少有以下這些內(nèi)容沒有涉及：

1）有成員變量的情況。

2）有重復(fù)繼承的情況。

3）有虛擬繼承的情況。

4）有鉆石型虛擬繼承的情況。

這些都是我本篇文章需要向大家說明的東西。所以，這篇文章將會是《C++虛函數(shù)表解析》的一個(gè)續(xù)篇，也是一篇高級進(jìn)階的文章。我希望大家在讀這篇文章之前對C++有一定的基礎(chǔ)和了解，并能先讀我的上一篇文章。因?yàn)檫@篇文章的深度可能會比較深，而且會比較雜亂，我希望你在讀本篇文章時(shí)不會有大腦思維紊亂導(dǎo)致大腦死機(jī)的情況。;-)

對象的影響因素

簡而言之，我們一個(gè)類可能會有如下的影響因素：

1）成員變量

2）虛函數(shù)（產(chǎn)生虛函數(shù)表）

3）單一繼承（只繼承于一個(gè)類）

4）多重繼承（繼承多個(gè)類）

5）重復(fù)繼承（繼承的多個(gè)父類中其父類有相同的超類）

6）虛擬繼承（使用virtual方式繼承，為了保證繼承后父類的內(nèi)存布局只會存在一份）

上述的東西通常是C++這門語言在語義方面對對象內(nèi)部的影響因素，當(dāng)然，還會有編譯器的影響（比如優(yōu)化），還有字節(jié)對齊的影響。在這里我們都不討論，我們只討論C++語言上的影響。

本篇文章著重討論下述幾個(gè)情況下的C++對象的內(nèi)存布局情況。

1）單一的一般繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）

2）單一的虛擬繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）

3）多重繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）

4）重復(fù)多重繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）

5）鉆石型的虛擬多重繼承（帶成員變量、虛函數(shù)、虛函數(shù)覆蓋）

我們的目標(biāo)就是，讓事情越來越復(fù)雜。

知識復(fù)習(xí)

我們簡單地復(fù)習(xí)一下，我們可以通過對象的地址來取得虛函數(shù)表的地址，如：

typedef void(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虛函數(shù)表地址：" << (int*)(&b) << endl;

cout << "虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));

pFun();

我們同樣可以用這種方式來取得整個(gè)對象實(shí)例的內(nèi)存布局。因?yàn)檫@些東西在內(nèi)存中都是連續(xù)分布的，我們只需要使用適當(dāng)?shù)牡刂菲屏浚覀兙涂梢垣@得整個(gè)內(nèi)存對象的布局。

本篇文章中的例程或內(nèi)存布局主要使用如下編譯器和系統(tǒng)：

1）Windows XP 和 VC++ 2003

2）Cygwin 和 G++ 3.4.4

單一的一般繼承

下面，我們假設(shè)有如下所示的一個(gè)繼承關(guān)系：

請注意，在這個(gè)繼承關(guān)系中，父類，子類，孫子類都有自己的一個(gè)成員變量。而了類覆蓋了父類的f()方法，孫子類覆蓋了子類的g_child()及其超類的f()。

我們的源程序如下所示：

class Parent {

public:

int iparent;

Parent ():iparent (10) {}

virtual void f() { cout << " Parent::f()" << endl; }

virtual void g() { cout << " Parent::g()" << endl; }

virtual void h() { cout << " Parent::h()" << endl; }

};

class Child : public Parent {

public:

int ichild;

Child():ichild(100) {}

virtual void f() { cout << "Child::f()" << endl; }

virtual void g_child() { cout << "Child::g_child()" << endl; }

virtual void h_child() { cout << "Child::h_child()" << endl; }

};

class GrandChild : public Child{

public:

int igrandchild;

GrandChild():igrandchild(1000) {}

virtual void f() { cout << "GrandChild::f()" << endl; }

virtual void g_child() { cout << "GrandChild::g_child()" << endl; }

virtual void h_grandchild() { cout << "GrandChild::h_grandchild()" << endl; }

};

我們使用以下程序作為測試程序：（下面程序中，我使用了一個(gè)int** pVtab 來作為遍歷對象內(nèi)存布局的指針，這樣，我就可以方便地像使用數(shù)組一樣來遍歷所有的成員包括其虛函數(shù)表了，在后面的程序中，我也是用這樣的方法的，請不必感到奇怪，）

typedef void(*Fun)(void);

GrandChild gc;

int** pVtab = (int**)&gc;

cout << "[0] GrandChild::_vptr->" << endl;

for (int i=0; (Fun)pVtab[0][i]!=NULL; i++){

pFun = (Fun)pVtab[0][i];

cout << " ["<<i<<"] ";

pFun();

}

cout << "[1] Parent.iparent = " << (int)pVtab[1] << endl;

cout << "[2] Child.ichild = " << (int)pVtab[2] << endl;

cout << "[3] GrandChild.igrandchild = " << (int)pVtab[3] << endl;

其運(yùn)行結(jié)果如下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）

使用圖片表示如下：

可見以下幾個(gè)方面：

1）虛函數(shù)表在最前面的位置。

2）成員變量根據(jù)其繼承和聲明順序依次放在后面。

3）在單一的繼承中，被overwrite的虛函數(shù)在虛函數(shù)表中得到了更新。

多重繼承

下面，再讓我們來看看多重繼承中的情況，假設(shè)有下面這樣一個(gè)類的繼承關(guān)系。注意：子類只overwrite了父類的f()函數(shù)，而還有一個(gè)是自己的函數(shù)（我們這樣做的目的是為了用g1()作為一個(gè)標(biāo)記來標(biāo)明子類的虛函數(shù)表）。而且每個(gè)類中都有一個(gè)自己的成員變量：

我們的類繼承的源代碼如下所示：父類的成員初始為10，20，30，子類的為100

class Base1 {

public:

int ibase1;

Base1():ibase1(10) {}

virtual void f() { cout << "Base1::f()" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base1::g()" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base1::h()" << endl; }

};

class Base2 {

public:

int ibase2;

Base2():ibase2(20) {}

virtual void f() { cout << "Base2::f()" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base2::g()" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base2::h()" << endl; }

};

class Base3 {

public:

int ibase3;

Base3():ibase3(30) {}

virtual void f() { cout << "Base3::f()" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base3::g()" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base3::h()" << endl; }

};

class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {

public:

int iderive;

Derive():iderive(100) {}

virtual void f() { cout << "Derive::f()" << endl; }

virtual void g1() { cout << "Derive::g1()" << endl; }

};

我們通過下面的程序來查看子類實(shí)例的內(nèi)存布局：下面程序中，注意我使用了一個(gè)s變量，其中用到了sizof(Base)來找下一個(gè)類的偏移量。（因?yàn)槲衣暶鞯氖莍nt成員，所以是4個(gè)字節(jié)，所以沒有對齊問題。關(guān)于內(nèi)存的對齊問題，大家可以自行試驗(yàn)，我在這里就不多說了）

typedef void(*Fun)(void);

Derive d;

int** pVtab = (int**)&d;

cout << "[0] Base1::_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] "; cout<<pFun<<endl;

cout << "[1] Base1.ibase1 = " << (int)pVtab[1] << endl;

int s = sizeof(Base1)/4;

cout << "[" << s << "] Base2::_vptr->"<<endl;

pFun = (Fun)pVtab[s][0];

cout << " [0] "; pFun();

Fun = (Fun)pVtab[s][1];

cout << " [1] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][2];

cout << " [2] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][3];

out << " [3] ";

cout<<pFun<<endl;

cout << "["<< s+1 <<"] Base2.ibase2 = " << (int)pVtab[s+1] << endl;

s = s + sizeof(Base2)/4;

cout << "[" << s << "] Base3::_vptr->"<<endl;

pFun = (Fun)pVtab[s][0];

cout << " [0] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][1];

cout << " [1] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][2];

cout << " [2] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][3];

cout << " [3] ";

cout<<pFun<<endl;

s++;

cout << "["<< s <<"] Base3.ibase3 = " << (int)pVtab[s] << endl;

s++;

cout << "["<< s <<"] Derive.iderive = " << (int)pVtab[s] << endl;

其運(yùn)行結(jié)果如下所示：（在VC++ 2003和G++ 3.4.4下）

使用圖片表示是下面這個(gè)樣子：

我們可以看到：

1） 每個(gè)父類都有自己的虛表。

2） 子類的成員函數(shù)被放到了第一個(gè)父類的表中。

3） 內(nèi)存布局中，其父類布局依次按聲明順序排列。

4） 每個(gè)父類的虛表中的f()函數(shù)都被overwrite成了子類的f()。這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個(gè)子類實(shí)例，而能夠調(diào)用到實(shí)際的函數(shù)。

重復(fù)繼承

下面我們再來看看，發(fā)生重復(fù)繼承的情況。所謂重復(fù)繼承，也就是某個(gè)基類被間接地重復(fù)繼承了多次。

下圖是一個(gè)繼承圖，我們重載了父類的f()函數(shù)。

其類繼承的源代碼如下所示。其中，每個(gè)類都有兩個(gè)變量，一個(gè)是整形（4字節(jié)），一個(gè)是字符（1字節(jié)），而且還有自己的虛函數(shù)，自己overwrite父類的虛函數(shù)。如子類D中，f()覆蓋了超類的函數(shù)， f1() 和f2() 覆蓋了其父類的虛函數(shù)，Df()為自己的虛函數(shù)。

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(nèi)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;

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;

cout << "[10] D::id = " << (int)pVtab[10] << endl;

cout << "[11] D::cd = " << (char)pVtab[11] << endl;

程序運(yùn)行結(jié)果如下：

下面是對于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表的圖：

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(shí)例，于是B的成員在D的實(shí)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(chǎn)生二義性編譯錯(cuò)誤：

D d;

d.ib = 0; //二義性錯(cuò)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(gè)變量。雖然我們消除了二義性的編譯錯(cuò)誤，但B類在D中還是有兩個(gè)實(shí)例，這種繼承造成了數(shù)據(jù)的重復(fù)，我們叫這種繼承為重復(fù)繼承。重復(fù)的基類數(shù)據(jù)成員可能并不是我們想要的。所以，C++引入了虛基類的概念。

鉆石型多重虛擬繼承

虛擬繼承的出現(xiàn)就是為了解決重復(fù)繼承中多個(gè)間接父類的問題的。鉆石型的結(jié)構(gòu)是其最經(jīng)典的結(jié)構(gòu)。也是我們在這里要討論的結(jié)構(gòu)：

上述的“重復(fù)繼承”只需要把B1和B2繼承B的語法中加上virtual 關(guān)鍵，就成了虛擬繼承，其繼承圖如下所示：

上圖和前面的“重復(fù)繼承”中的類的內(nèi)部數(shù)據(jù)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：

class B {……};

class B1 : virtual public B{……};

class B2: virtual public B{……};

class D : public B1, public B2{ …… };

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?yàn)閂C++和GCC的內(nèi)存而局上有一些細(xì)節(jié)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(jù)我給出的程序自己仿照著寫一個(gè)去試一試）：

int** pVtab = NULL;

Fun pFun = NULL;

B1 bb1;

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;

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

cout << "[4] = 0x";

cout << (int*)*((int*)(&bb1)+4) << endl; //NULL

cout << "[5] B::_vptr->" << endl;

pFun = (Fun)pVtab[5][0];

cout << " [0] ";

pFun(); //B1::f();

pFun = (Fun)pVtab[5][1];

cout << " [1] ";

pFun(); //B::Bf();

cout << " [2] ";

cout << "0x" << (Fun)pVtab[5][2] << endl;

cout << "[6] B::ib = ";

cout << (int)*((int*)(&bb1)+6) <<endl; //B::ib

cout << "[7] B::cb = ";

其運(yùn)行結(jié)果如下（我結(jié)出了GCC的和VC++2003的對比）：

這里，大家可以自己對比一下。關(guān)于細(xì)節(jié)上，我會在后面一并再說。

下面的測試程序是看子類D的內(nèi)存布局，同樣是VC++ 2003的（因?yàn)閂C++和GCC的內(nèi)存布局上有一些細(xì)節(jié)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(jù)我給出的程序自己仿照著寫一個(gè)去試一試）：

D d;

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;

cout << "[12] B::ib = ";

cout << *((int*)(&dd)+12) << endl; //B::ib

cout << "[13] B::cb = ";

cout << (char)*((int*)(&dd)+13) <<endl;//B::cb

下面給出運(yùn)行后的結(jié)果（分VC++和GCC兩部份）

關(guān)于虛擬繼承的運(yùn)行結(jié)果我就不畫圖了（前面的作圖已經(jīng)讓我產(chǎn)生了很嚴(yán)重的厭倦感，所以就偷個(gè)懶了，大家見諒了）

在上面的輸出結(jié)果中，我用不同的顏色做了一些標(biāo)明。我們可以看到如下的幾點(diǎn)：

1）無論是GCC還是VC++，除了一些細(xì)節(jié)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(gè)超類（青藍(lán)色）的實(shí)例都放在最后的位置。

2）關(guān)于虛函數(shù)表，尤其是第一個(gè)虛表，GCC和VC++有很重大的不一樣。但仔細(xì)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(gè)超類放到了最后，而VC++有一個(gè)NULL分隔符把B和B1和B2的布局分開。GCC則沒有。

4）VC++中的內(nèi)存布局有兩個(gè)地址我有些不是很明白，在其中我用紅色標(biāo)出了。取其內(nèi)容是-4。接道理來說，這個(gè)指針應(yīng)該是指向B類實(shí)例的內(nèi)存地址（這個(gè)做法就是為了保證重復(fù)的父類只有一個(gè)實(shí)例的技術(shù)）。但取值后卻不是。這點(diǎn)我目前還并不太清楚，還向大家請教。

5）GCC的內(nèi)存布局中在B1和B2中則沒有指向B的指針。這點(diǎn)可以理解，編譯器可以通過計(jì)算B1和B2的size而得出B的偏移量。

結(jié)束語

C++這門語言是一門比較復(fù)雜的語言，對于程序員來說，我們似乎永遠(yuǎn)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?nèi)チ私馑竺娴膬?nèi)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。

在文章束之前還是介紹一下自己吧。我從事軟件研發(fā)有十個(gè)年頭了，目前是軟件開發(fā)技術(shù)主管，技術(shù)方面，主攻Unix/C/C++，比較喜歡網(wǎng)絡(luò)上的技術(shù)，比如分布式計(jì)算，網(wǎng)格計(jì)算，P2P，Ajax等一切和互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的東西。管理方面比較擅長于團(tuán)隊(duì)建設(shè)，技術(shù)趨勢分析，項(xiàng)目管理。歡迎大家和我交流，我的MSN和Email是：haoel@hotmail.com