浅析GCC下C++多重继承 & 虚拟继承的对象内存布局

原创
2012/07/13 10:15
阅读数 5.7K

     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:

class Top
 {
public:
      int a;
 };

 class Left : public Top
 {
public:
      int b;
 };

 class Right : public Top
 {
public:
      int c;
 };

 class Bottom : public Left, public Right
 {
public:
      int d;
 };

          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:

Left *left = new Left();
    Top *top = left;
    cout << left <<  '\t' << top << endl;//输出:0x902c008       0x902c008
    Right *right = new Right();
    top = right;
    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:

Bottom *bottom = new Bottom();   
//  top = bottom;     //error: ‘Top’ is an ambiguous base of ‘Bottom’   
top = (Left *)bottom;
left = bottom;
    cout << bottom << '\t' << top << '\t' << left << endl;//输出:0x9930028 0x9930028 0x9930028
    top = (Right *)bottom;
    right = bottom;
    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:
             

        由于bottom对象中存在两部分top对象,因此不能直接用top指针指向bottom对象,因为编译器不知道你的意图到底是指向left中的bottom部分,还是right中的bottom部分。需要进行转换才可以。如果需要通过bottom指针分别访问left和right中的top部分,可以如下:  bottom->Left::a,  bottom->Right::a。

         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:    

#include <iostream>
using namespace std;

 class Father
 {
public:
    int a;
 };

 class Child : virtual public Father
 {
 public:
    int b;
 };

 int main()
 {
    cout << sizeof(Father) << '\t' << sizeof(Child) << endl;//输出:4   12
    Child child;
    cout << &child << '\t' << &child.b << '\t' << &child.a << endl;//输出:0xbfc08124 0xbfc08128 0xbfc0812c
    return 0;
 }

      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:

class Top
 {
 public:
      int a;
 };

 class Left : virtual public Top
 {
 public:
      int b;
 };

 class Right : virtual public Top
 {
 public:
     int c;
 };

 class Bottom : public Left, public Right
 {
 public:
     int d;
 };

     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:

Bottom *bottom = new Bottom();
    top = bottom;
    cout << bottom << '\t' << top << endl;//输出:0x9fa5028       0x9fa503c
    Left *left = bottom;
    cout << bottom << '\t' << left << endl;//输出:0x9fa5028       0x9fa5028
    Right *right = bottom;
    cout << bottom << '\t' << right << endl;//输出:0x9fa5028       0x9fa5030

  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》

展开阅读全文
加载中
点击加入讨论🔥(8) 发布并加入讨论🔥
打赏
8 评论
20 收藏
1
分享
返回顶部
顶部