浅析GCC下C++多重继承 & 虚拟继承的对象内存布局

时间 2019-11-24

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继承是C++做为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。ios

1、多重继承函数

先看几个类的定义：布局

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类的内存布局以下图所示：

咱们以下进行验证：spa

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

从输出结果能够看出，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状况下，子类的内存布局是什么样子的呢？以下所示：设计

能够看出，Bottom类因为继承了Left和Right，而Left和Right又分别继承了Top。所以，Bottom包含了Top两次！指针

下面进行验证：code

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

从输出结果能够看出，left指针和right指针分别指向了bottom对象中它们所处的位置：

因为bottom对象中存在两部分top对象，所以不能直接用top指针指向bottom对象，由于编译器不知道你的意图究竟是指向left中的bottom部分，仍是right中的bottom部分。须要进行转换才能够。若是须要经过bottom指针分别访问left和right中的top部分，能够以下： 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状况，相信你们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。

2、虚拟继承对象

平时讨论的最多的是虚函数，不多涉及到虚拟继承的状况。那么，虚拟继承究竟是一个什么概念呢？继承

先来看一个例子：内存

#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，咱们能够获得Child类的以下内存布局：

如今咱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改为了虚拟继承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，咱们能够想象出此时Bottom类的对象内存布局以下：

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，内存布局状况一目了然。下面咱们进行验证：

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，咱们能够知道指针的指向状况：

因为引入了虚指针和虚表，left指针和right指针能够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状况。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。经过父类的虚拟指针，能够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》