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C++虚继承的内存模型

分类: 文章 • 2024-12-13 21:18:34

http://blog.****.net/a627088424/article/details/47999757#comments


[cpp] view plain copy
  1. #include <iostream>  
  2. using namespace std;  
  3. class ZooAnimal  
  4. {  
  5. public:  
  6.       virtual void print()  
  7.       {  
  8.            cout << "run: ZooAnimal::print()" <<endl;  
  9.       }  
  10.       void run(int whichTable, int whichFunc)  
  11.       {  
  12.           //whichTable是个偏移量，用来在对象内存中找到vfptr，即找虚函数表  
  13.           void (***func)(void)=reinterpret_cast<void (***)(void)>(this);  
  14.           (*(func+whichTable))[whichFunc]();//运行哪个表中的哪个函数  
  15.       }  
  16.       int a;  
  17. };  
  18.    
  19. class Bear: public ZooAnimal  
  20. {  
  21. public:  
  22.       void run(int whichTable, int whichFunc)  
  23.       {  
  24.            //whichTable是个偏移量，用来在对象内存中找到vfptr，即找虚函数表  
  25.            void (***func)(void)=reinterpret_cast<void (***)(void)>(this);  
  26.            (*(func+whichTable))[whichFunc]();//运行哪个表中的哪个函数  
  27.       }  
  28.        
  29.       virtual void dis()  
  30.       {  
  31.            cout << "run: Bear::dis()" <<endl;  
  32.       }  
  33.       void dis(char)  
  34.       {  
  35.            cout << "run: Bear::dis(char)" <<endl;  
  36.       }  
  37.      virtual void dis(int)  
  38.       {  
  39.            cout << "run: Bear::dis(int)" <<endl;  
  40.       }  
  41.       int b;  
  42. };  
  43.    
  44.    
  45. int main()  
  46. {  
  47.        
  48.       Bear b;  
  49.        
  50.       ZooAnimal& a=static_cast<ZooAnimal&>(b);  
  51.       cout << "ZooAnimal:" <<endl;  
  52.       cout << "&a=" << &a <<endl;  
  53.       cout << "&a.a=" << &a.a <<endl;  
  54.       cout<<endl;  
  55.        
  56.       a.run(0,0);  
  57.       a.run(0,1);  
  58.       a.run(0,2);  
  59.       cout<<endl;  
  60.        
  61.       cout << "Bear:" <<endl;  
  62.       cout << "&b=" << &b <<endl;  
  63.       cout << "&b.a=" << &b.a <<endl;  
  64.       cout << "&b.b=" << &b.b <<endl;  
  65.       cout<<endl;  
  66.        
  67.       b.run(0,0);  
  68.       b.run(0,1);  
  69.       b.run(0,2);  
  70.       cout<<endl;  
  71.    
  72.       cout << "sizeof(ZooAnimal)=" << sizeof(ZooAnimal)  <<endl;  
  73.       cout << "sizeof(Bear)=" << sizeof(Bear) << endl;  
  74. }  

[cpp] view plain copy
  1.    









平台Ubantu，g++ 4.8



结果：






ZooAnimal:



&a=0xbf859914



&a.a=0xbf859918



 



run: ZooAnimal::print()



run: Bear::dis()



run: Bear::dis(int)



 



 



Bear:



&b=0xbf859914



&b.a=0xbf859918



&b.b=0xbf85991c



 



run: ZooAnimal::print()



run: Bear::dis()



run: Bear::dis(int)



 



sizeof(ZooAnimal)=8



sizeof(Bear)=12










C++虚继承的内存模型



Bear对象，相对于Animal对象，新增了b变量。没有为Bear的新的虚函数增加新vfptr，而是将Bear的新的虚函数地址，在原来vfptr指向的虚函数表中尾增。



我们接下来让Bear虚继承自ZooAnimal，class Bear: virtual public ZooAnimal



重新编译，运行






ZooAnimal:



&a=0xbfb77688



&a.a=0xbf7768c



 



run: ZooAnimal::print()



段错误(核心已转储)






 



将main函数中a.run(0,1)，a.run(0,2)注释的，编译运行:






ZooAnimal:



&a=0xbfe99ad8



&a.a=0xbfe99adc



 



run: ZooAnimal::print()



 



Bear:



&b=0xbfe99ad0



&b.a=0xbfe99adc



&b.b=0xbfe99ad4



 



run: Bear::dis()



run: Bear::dis(int)



段错误(核心已转储)






将main中的b.run(0,2)注释掉，编译运行：






ZooAnimal:



&a=0xbfe99ad8



&a.a=0xbfe99adc



 



run: ZooAnimal::print()



 



Bear:



&b=0xbfe99ad0



&b.a=0xbfe99adc



&b.b=0xbfe99ad4



 



run: Bear::dis()



run: Bear::dis(int)



 



sizeof(ZooAnimal)=9



sizeof(Bear)=16






通过上面的过程及最终的结果，可以推测出Bear的内存布局:



C++虚继承的内存模型







可见派生类Bear并没有使用基类ZooAnimal的vfptr，而是单独为自己开辟了一个vfptr。通过a，b的位置变化，看出ZooAnimal被放到尾部了。



继续，派生Panda。







 C++虚继承的内存模型











[cpp] view
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  1. 
class Panda: public Bear  

    2. 

  2. 
{  

    3. 

  3. 
public:  

    4. 

  4. 
      void run(int whichTable, int whichFunc)  

    5. 

  5. 
      {  

    6. 

  6. 
           //whichTable是个偏移量，用来在对象内存中找到vfptr，即找虚函数表  

    7. 

  7. 
           void (***func)(void)=reinterpret_cast<void (***)(void)>(this);  

    8. 

  8. 
           (*(func+whichTable))[whichFunc]();//运行哪个表中的哪个函数  

    9. 

  9. 
      }  

    10. 

  10. 
      virtual void test()  

    11. 

  11. 
      {  

    12. 

  12. 
           cout << "run: Panda::test()" <<endl;  

    13. 

  13. 
      }  

    14. 

  14. 
       

    15. 

  15. 
      int t;  

    16. 

  16. 
};  

    17. 

  17. 
   

    18. 

  18. 
int main()  

    19. 

  19. 
{  

    20. 

  20. 
      Panda b;  

    21. 

  21. 
                  

    22. 

  22. 
      ZooAnimal& a=static_cast<ZooAnimal&>(b);  

    23. 

  23. 
      cout << "ZooAnimal:" <<endl;  

    24. 

  24. 
      cout << "&a=" << &a <<endl;  

    25. 

  25. 
      cout << "&a.a=" << &a.a <<endl;  

    26. 

  26. 
      cout<<endl;  

    27. 

  27. 
       

    28. 

  28. 
      a.run(0,0);  

    29. 

  29. 
      //a.run(0,1);段错误  

    30. 

  30. 
      //a.run(0,2);段错误  

    31. 

  31. 
      //a.run(0,3);段错误  

    32. 

  32. 
      cout<<endl;  

    33. 

  33. 
       

    34. 

  34. 
      Bear& c=static_cast<Bear&>(b);  

    35. 

  35. 
      cout << "Bear:" <<endl;  

    36. 

  36. 
      cout << "&c=" << &c <<endl;  

    37. 

  37. 
      cout << "&c.a=" << &c.a <<endl;  

    38. 

  38. 
      cout << "&c.b=" << &c.b <<endl;  

    39. 

  39. 
      cout << endl;  

    40. 

  40. 
       

    41. 

  41. 
      c.run(0,0);  

    42. 

  42. 
      c.run(0,1);  

    43. 

  43. 
      c.run(0,2);  

    44. 

  44. 
      //c.run(0,3);段错误  

    45. 

  45. 
   

    46. 

  46. 
      cout<<endl;  

    47. 

  47. 
       

    48. 

  48. 
      cout << "Panda:" <<endl;  

    49. 

  49. 
      cout << "&b=" << &b <<endl;  

    50. 

  50. 
      cout << "&b.a=" << &b.a <<endl;  

    51. 

  51. 
      cout << "&b.b=" << &b.b <<endl;  

    52. 

  52. 
      cout << "&b.t=" << &b.t <<endl;  

    53. 

  53. 
      cout<<endl;  

    54. 

  54. 
       

    55. 

  55. 
      b.run(0,0);  

    56. 

  56. 
      b.run(0,1);  

    57. 

  57. 
      b.run(0,2);  

    58. 

  58. 
      //b.run(0,3);段错误  

    59. 

  59. 
      cout <<endl;  

    60. 

  60. 
       

    61. 

  61. 
   

    62. 

  62. 
      cout << "sizeof(ZooAnimal)=" << sizeof(ZooAnimal)  <<endl;  

    63. 

  63. 
      cout << "sizeof(Bear)=" << sizeof(Bear) << endl;  

    64. 

  64. 
      cout << "sizeof(Panda)=" << sizeof(Panda) << endl;  

    65. 

  65. 
}  

    66. 




结果:


C++虚继承的内存模型







根据结果推测内存模型



C++虚继承的内存模型







虚继承的祖父类仍被放到尾部，并具有自己的独立的vfptr。而孙子类Panda非虚继承父类Bear，采取的方法也仍是只有一个vfptr，并将自己新的虚函数的地址尾加到表中。



继续，将其扩展成封闭的菱形继承：



C++虚继承的内存模型







添加了Raccon类，该类不包含虚函数，有一个成员变量int r。











[cpp] view
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  1. 
class Raccon:virtual public ZooAnimal{   

    2. 

  2. 
public:  

    3. 

  3. 
      void run(int whichTable, int whichFunc)  

    4. 

  4. 
      {  

    5. 

  5. 
           //whichTable是个偏移量，用来在对象内存中找到vfptr，即找虚函数表  

    6. 

  6. 
           void (***func)(void)=reinterpret_cast<void (***)(void)>(this);  

    7. 

  7. 
           (*(func+whichTable))[whichFunc]();//运行哪个表中的哪个函数  

    8. 

  8. 
      }  

    9. 

  9. 
      int r;  

    10. 

  10. 
};  

    11. 


















[cpp] view
plain copy










    

  1. 
int main()  

    2. 

  2. 
{  

    3. 

  3. 
      Panda b;  

    4. 

  4. 
                  

    5. 

  5. 
      ZooAnimal& a=static_cast<ZooAnimal&>(b);  

    6. 

  6. 
      cout << "ZooAnimal:" <<endl;  

    7. 

  7. 
      cout << "&a=" << &a <<endl;  

    8. 

  8. 
      cout << "&a.a=" << &a.a <<endl;  

    9. 

  9. 
      cout<<endl;  

    10. 

  10. 
       

    11. 

  11. 
      a.run(0,0);  

    12. 

  12. 
      //a.run(0,1);//段错误  

    13. 

  13. 
      //a.run(0,2);//段错误  

    14. 

  14. 
      //a.run(0,3);//段错误  

    15. 

  15. 
      cout<<endl;  

    16. 

  16. 
       

    17. 

  17. 
      Bear& c=static_cast<Bear&>(b);  

    18. 

  18. 
      cout << "Bear:" <<endl;  

    19. 

  19. 
      cout << "&c=" << &c <<endl;  

    20. 

  20. 
      cout << "&c.a=" << &c.a <<endl;  

    21. 

  21. 
      cout << "&c.b=" << &c.b <<endl;  

    22. 

  22. 
      cout << endl;  

    23. 

  23. 
       

    24. 

  24. 
      c.run(0,0);  

    25. 

  25. 
      c.run(0,1);  

    26. 

  26. 
      c.run(0,2);  

    27. 

  27. 
      //c.run(0,3);//段错误  

    28. 

  28. 
   

    29. 

  29. 
      cout<<endl;  

    30. 

  30. 
       

    31. 

  31. 
      Raccon& d=static_cast<Raccon&>(b);  

    32. 

  32. 
      cout << "Raccon:" <<endl;  

    33. 

  33. 
      cout << "&d=" << &d <<endl;  

    34. 

  34. 
      cout << "&d.a=" << &d.a <<endl;  

    35. 

  35. 
      cout << "&d.r=" << &d.r <<endl;  

    36. 

  36. 
      cout << endl;  

    37. 

  37. 
       

    38. 

  38. 
      //d.run(0,0);段错误  

    39. 

  39. 
      //d.run(0,1);段错误  

    40. 

  40. 
      //d.run(0,2);段错误  

    41. 

  41. 
      //c.run(0,3);段错误  

    42. 

  42. 
   

    43. 

  43. 
      cout<<endl;  

    44. 

  44. 
       

    45. 

  45. 
      cout << "Panda:" <<endl;  

    46. 

  46. 
      cout << "&b=" << &b <<endl;  

    47. 

  47. 
      cout << "&b.a=" << &b.a <<endl;  

    48. 

  48. 
      cout << "&b.b=" << &b.b <<endl;  

    49. 

  49. 
      cout << "&b.r=" << &b.r <<endl;  

    50. 

  50. 
      cout << "&b.t=" << &b.t <<endl;  

    51. 

  51. 
      cout<<endl;  

    52. 

  52. 
       

    53. 

  53. 
      b.run(0,0);  

    54. 

  54. 
      b.run(0,1);  

    55. 

  55. 
      b.run(0,2);  

    56. 

  56. 
      //b.run(0,3);//段错误  

    57. 

  57. 
      cout <<endl;  

    58. 

  58. 
       

    59. 

  59. 
   

    60. 

  60. 
      cout << "sizeof(ZooAnimal)=" << sizeof(ZooAnimal)  <<endl;  

    61. 

  61. 
      cout << "sizeof(Bear)=" << sizeof(Bear) << endl;  

    62. 

  62. 
      cout << "sizeof(Raccon)=" << sizeof(Raccon) << endl;  

    63. 

  63. 
      cout << "sizeof(Panda)=" << sizeof(Panda) << endl;  

    64. 

  64. 
}  

    65. 










C++虚继承的内存模型 







C++虚继承的内存模型











Panda从直接基类Bear和Racoon分别继承了vfptr，并将自己的新的虚函数指针，尾加到了第一个直接基类Bear的vftable中。而虚继承而来的祖类ZooAnimal仍就整体放到了Panda尾部。特别注意下vfptr$Raccon。笔者实践的时候，填加了函数用于访问虚函数表中的函数指针的值，虚函数表尾部确实都为0，应该是用于标识虚函数表结束。如果对祖类ZooAnimal的继承不是虚继承，Panda的内存布局，根据上述的原则，而是很好推断的，以前从ZooAnimal虚继承而来的类，都是要自己单独再分配自己的vfptr，现在可以自己重用基类的了，则Bear将减少一个指针的内存大小，即sizeof(Bear)=12，同理sizeof(Raccon)=12，而Panda虽然不用单独分配自己的vfptr，但是由于不是虚继承，对于ZooAnimal的成员变量int
a，将有两份拷贝，而已sizeof(Panda)仍是28.



      在网上搜了下资料后自己有时间代码实践验证下。对比网上其他的，对于虚继承跟别人得到的结果又出入。其他人的结果大都虚继承后有vbptr，即虚基类偏移量指针。比如这篇文章：点击打开链接



笔者，将其代码写入自己的平台验证，最后孙子类的大小是28而不是文章说的36。他的孙子类出现了两个vbptr。他使用的是vs2010.



      编译器实现有关？



      将代码拷贝到vs2012中运行，其使用的是微软自家的cl编译器。



      由于运行的时候run函数中的func函数指针为void  (***)(void)，在通过其运行Bear的virtual  void dis(int)时，编译器出错，栈出了问题，问了方便分析，直接将该函数注释掉。根据最后的输出结果，分析得到如下内存分布：



  C++虚继承的内存模型   







sizeof(ZooAnimal)=8;



sizeof(Bear)=20;



sizeof(Raccon)=16;



sizeof(Panda)=32;



特别注意，没有为Raccon生成vfptr。虚基类偏移表中，第一项应该是具有一定的标识意义，猜测可能是vbptr相对于对象头部的偏移量，而第二项保存的是虚基类相对于vbptr的偏移量。Raccon类中并没有虚函数，尽管他虚继承的ZooAnimal中有虚函数，并没有为Raccon生成用于保存虚函数的vfptr。我试着给Raccon添加了一个虚函数virtual void  vs2012test()，结果编译器为Rccon分配了vfptr，并且vbptr$Rccon偏移表第一个变为-4



C++虚继承的内存模型







sizeof(ZooAnimal)=8;



sizeof(Bear)=20;



sizeof(Raccon)=20;



sizeof(Panda)=36;



 



 



虚继承的内存布局与编译器相关！！



g++原则更为简单，将虚基类内存(包括vfptr)尾加到派生类。如果虚基类有虚函数，派生类一定会有自己的vfptr，如果派生类没有虚函数，该vfptr指向空。



cl虚继承时，同样将虚基类内存(包括vfptr)尾加到派生类，并且派生类将产生vbptr，其中存放了虚基类对象在派生类对象中的偏移量。派生类对象中有无vfptr与虚基类无关，仅当派生类有虚函数时，才会为其分配vfptr。



 



编译器是如何实现对虚基类的访问？这里暂时不继续挖了，越挖越深，洗洗睡了~









[cpp] view
plain copy










    

  1. 
void run(int whichTable, int whichFunc)  

    2. 

  2. 
{  

    3. 

  3. 
     //whichTable是个偏移量，用来在对象内存中找到vfptr，即找虚函数表  

    4. 

  4. 
     void (***func)(void)=reinterpret_cast<void (***)(void)>(this);  

    5. 

  5. 
     (*(func+whichTable))[whichFunc]();//运行哪个表中的哪个函数  

    6. 

  6. 
}  

    7. 

  7. 







															

																					

								

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