多重继承的内存分布

1、指针的比较   再以上面Bottom类继承关系为例讨论，下面这段代码会打印Equal吗？1 Bottom* b = new Bottom(); 2 Right* r = b;3       4 if(r = b)5    printf("Equal!/n");   先明确下这两个指针实际上是指向不同地址的，r指针实际上在b指针所指地址上偏移8字节，但是，这些C+内部细

2、节不能告诉C+程序员，所以C+编译器在比较r和b时，会把r减去8字节，然后再来比较，所以打印出的值是"Equal".多重继承   首先我们先来考虑一个很简单(non-virtual)的多重继承。看看下面这个C+类层次结构。 1 class Top 2  3 public: 4    int a; 5  6  7 class Left : publi

3、c Top 8  9 public:10    int b;11 12 13 class Right : public Top14 15 public:16    int c;17 18 19 class Bottom : public Left, public Right20 

4、21 public:22    int d;23 24     用UML表述如下:    注意到Top类实际上被继承了两次，(这种机制在Eiffel中被称作repeated inheritance)，这就意味着在一个bottom对象中实际上有两个a属性(attributes，可以通过bottom.Left:a和 bottom.Right:a访问) 。那么Left、Right、Bottom在内存中如何分布的呢？我们先来

5、看看简单的Left和Right内存分布：       Right 类的布局和Left是一样的，因此我这里就没再画图了。刺猬       注意到上面类各自的第一个属性都是继承自Top类，这就意味着下面两个赋值语句:1 Left* left = new Left();2 Top* top = left;       left和top实际上是指向两个相同的地址，我

6、们可以把Left对象当作一个Top对象(同样也可以把Right对象当Top对象来使用)。但是Botom对象呢?GCC是这样处理的：     但是现在如果我们upcast 一个Bottom指针将会有什么结果?  1 Bottom* bottom = new Bottom();2 Left* left = bottom;        这段代码运行正确。这是因为GCC选择的这种内存布局使得我们可以把Bottom

7、对象当作Left对象，它们两者(Left部分)正好相同。但是，如果我们把Bottom对象指针upcast到Right对象呢?1 Right* right = bottom;      如果我们要使这段代码正常工作的话，我们需要调整指针指向Bottom中相应的部分。     通过调整，我们可以用right指针访问Bottom对象，这时Bottom对象表现得就如Right对象。但是bottom和right指针指向了不同的内存地址。最后，我们考虑下:1 Top* top

8、= bottom;     恩，什么结果也没有，这条语句实际上是有歧义(ambiguous)的，编译器会报错: error: Top' is an ambiguous base of Bottom'。其实这两种带有歧义的可能性可以用如下语句加以区分：1 Top* topL = (Left*) bottom;2 Top* topR = (Right*) bottom;    这两个赋值语句执行之后，topL和left指针将指向同一个地址，同样topR和right也将指向同

9、一个地址。虚拟继承   为了避免上述Top类的多次继承，我们必须虚拟继承类Top。 1 class Top 2  3     public: 4         int a; 5  6  7 class Left : virtual public Top 8  9

10、60;    public:10         int b;11 12 13 class Right : virtual public Top14 15     public:16         int c;17 18 19 class

11、 Bottom : public Left, public Right20 21     public:22         int d;23 24    上述代码将产生如下的类层次图(其实这可能正好是你最开始想要的继承方式)。      对于程序员来说，这种类层次图显得更加简单和清晰，不过对于一个编译器来说，这就复杂得多了。我

12、们再用Bottom的内存布局作为例子考虑，它可能是这样的:             这种内存布局的优势在于它的开头部分(Left部分)和Left的布局正好相同，我们可以很轻易地通过一个Left指针访问一个Bottom对象。不过，我们再来考虑考虑Right:1 Right* right = bottom;虚拟继承   为了避免上述Top类的多次继承，我们必须虚拟继承类Top。 1 class Top 

13、;2  3     public: 4         int a; 5  6  7 class Left : virtual public Top 8  9     public:10        

14、; int b;11 12 13 class Right : virtual public Top14 15     public:16         int c;17 18 19 class Bottom : public Left, public Right20 21     public:2

15、2         int d;23 24    上述代码将产生如下的类层次图(其实这可能正好是你最开始想要的继承方式)。      对于程序员来说，这种类层次图显得更加简单和清晰，不过对于一个编译器来说，这就复杂得多了。我们再用Bottom的内存布局作为例子考虑，它可能是这样的:         

16、    这种内存布局的优势在于它的开头部分(Left部分)和Left的布局正好相同，我们可以很轻易地通过一个Left指针访问一个Bottom对象。不过，我们再来考虑考虑Right:1 Right* right = bottom;这里我们应该把什么地址赋值给right指针呢？理论上说，通过这个赋值语句，我们可以把这个right指针当作真正指向一个Right对象的指针(现在指向的是Bottom)来使用。但实际上这是不现实的！一个真正的Right对象内存布局和Bottom对象Right部分是完全不同的，所以其实我们不可能再把这个upcasted的bo

17、ttom对象当作一个真正的right对象来使用了。而且，我们这种布局的设计不可能还有改进的余地了。这里我们先看看实际上内存是怎么分布的，然后再解释下为什么这么设计。      上图有两点值得大家注意。第一点就是类中成员分布顺序是完全不一样的(实际上可以说是正好相反)。第二点，类中增加了vptr指针，这些是被编译器在编译过程中插入到类中的(在设计类时如果使用了虚继承，虚函数都会产生相关vptr)。同时，在类的构造函数中会对相关指针做初始化，这些也是编译器完成的工作。Vptr指针指向了一个“virtual table”。在类中每

18、个虚基类都会存在与之对应的一个vptr指针。为了给大家展示virtual table作用，考虑下如下代码。1 Bottom* bottom = new Bottom();2 Left* left = bottom;3 int p = left->a;    第二条的赋值语句让left指针指向和bottom同样的起始地址(即它指向Bottom对象的“顶部”)。我们来考虑下第三条的赋值语句。1 movl  left, %eax    

19、    # %eax = left2 movl  (%eax), %eax      # %eax = left.vptr.Left3 movl  (%eax), %eax      # %eax = virtual base offset 4 addl  l

20、eft, %eax        # %eax = left + virtual base offset5 movl  (%eax), %eax      # %eax = left.a6 movl  %eax, p        

21、;   # p = left.a       总结下，我们用left指针去索引(找到)virtual table，然后在virtual table中获取到虚基类的偏移(virtual base offset, vbase)，然后在left指针上加上这个偏移量，这样我们就获取到了Bottom类中Top类的开始地址。从上图中，我们可以看到对于Left指针，它的virtual base offset是20，如果我

22、们假设Bottom中每个成员都是4字节大小，那么Left指针加上20字节正好是成员a的地址。     我们同样可以用相同的方式访问Bottom中Right部分。1 Bottom* bottom = new Bottom();2 Right* right = bottom;3 int p = right->a;   right指针就会指向在Bottom对象中相应的位置。       这里对于p的赋值语句

23、最终会被编译成和上述left相同的方式访问a。唯一的不同是就是vptr，我们访问的vptr现在指向了virtual table另一个地址，我们得到的virtual base offset也变为12。我们画图总结下：    当然，关键点在于我们希望能够让访问一个真正单独的Right对象也如同访问一个经过upcasted（到Right对象）的Bottom对象一样。这里我们也在Right对象中引入vptrs。    OK，现在这样的设计终于让我们可以通过一个Right指针访问Bottom对象

24、了。不过，需要提醒的是以上设计需要承担一个相当大的代价：我们需要引入虚函数表，对象底层也必须扩展以支持一个或多个虚函数指针，原来一个简单的成员访问现在需要通过虚函数表两次间接寻址(编译器优化可以在一定程度上减轻性能损失)。Downcasting   如我们猜想，将一个指针从一个派生类到一个基类的转换(casting)会涉及到在指针上添加偏移量。可能有朋友猜想，downcasting一个指针仅仅减去一些偏移量就行了吧。实际上，非虚继承情况下确实是这样，但是，对于虚继承来说，又不得不引入其它的复杂问题。这里我们在上面的例子中添加一些继承关系:1 class

25、AnotherBottom : public Left, public Right2 3     public:4         int e;5         int f;6     这个继承关系如下图所示:   那么现在考虑如下代码1 Bottom* bottom

26、1 = new Bottom();2 AnotherBottom* bottom2 = new AnotherBottom();3 Top* top1 = bottom1;4 Top* top2 = bottom2;5 Left* left = static_cast<Left*>(top1);   下面这图展示了Bottom和AnotherBottom的内存布局，同时也展示了各自top指针所指向的位置。      

27、;现在我们来考虑考虑从top1到left的static_cast，注意这里我们并不清楚对于top1指针指向的对象是Bottom还是AnotherBottom。这里是根本不能编译通过的！因为根本不能确认top1运行时需要调整的偏移量(对于Bottom是20，对于AnotherBottom是24)。所以编译器将会提出错误: error: cannot convert from base Top' to derived type Left' via virtual base Top'。这里我们需要知道运行时信息，所以我们需要使用dynamic_cast：1 Left

28、* left = dynamic_cast<Left*>(top1);不过，编译器仍然会报错的 error: cannot dynamic_cast top' (of type class Top*') to type class Left*' (source type is not polymorphic)。关键问题在于使用dynamic_cast（和使用typeid一样）需要知道指针所指对象的运行时信息。但是，回头看看上面的结构图，我们就会发现top1指针所指的仅仅是一个整数成员a。编译器没有在Bottom类中包含针对top的vptr

29、，它认为这完全没有必要。为了强制编译器在Bottom中包含top的vptr，我们可以在top类里面添加一个虚析构函数。1 class Top2 3     public:4         virtual Top()  5         int a;6    

30、0; 这就迫使编译器为Top类添加了一个vptr。下面来看看Bottom新的内存布局：   是的，其它派生类(Left、Right)都会添加一个vptr.top，编译器为dynamic_cast生成了一个库函数调用。1 left = _dynamic_cast(top1, typeinfo_for_Top, typeinfo_for_Left, -1);   _dynamic_cast定义在libstdc+(对应的头文件是cxxabi.h)，有了Top、Left和Bottom的类型信息，转换得以执行。其中，参数-1代表的是类Left和

31、类Top之间的关系未明。如果想详细了解，请参看tinfo.cc的实现。二级指针   这里的问题初看摸不着头脑，但是细细想来有些问题还是显而易见的。这里我们考虑一个问题，还是以上节的Downcasting中的类继承结构图作为例子。1 Bottom* b = new Bottom();2 Right* r = b;  (在把b指针的值赋值给指针r时，b指针将加上8字节，这样r指针才指向Bottom对象中Right部分)。因此我们可以把Bottom*类型的值赋值给Right*对象。但是Bottom*和Right

32、*两种类型的指针之间赋值呢？1 Bottom* bb = &b;2 Right* rr = bb;   编译器能通过这两条语句吗？实际上编译器会报错: error: invalid conversion from Bottom*' to Right*'  为什么? 不妨反过来想想，如果能够将bb赋值给rr，如下图所示。所以这里bb和rr两个指针都指向了b，b和r都指向了Bottom对象的相应部分。那么现在考虑考虑如果给*rr赋值将会发生什么。1 *rr = b; 

33、0;  注意*rr是Right*类型(一级)的指针，所以这个赋值是有效的！    这个就和我们上面给r指针赋值一样(*rr是一级的Right*类型指针，而r同样是一级Right*指针)。所以，编译器将采用相同的方式实现对*rr的赋值操作。实际上，我们又要调整b的值，加上8字节，然后赋值给*rr，但是现在*rr其实是指向b的!如下图    呃，如果我们通过rr访问Bottom对象，那么按照上图结构我们能够完成对Bottom对象的访问，但是如果是用b来访问Bottom对象呢，所有的对象引用实际上都偏移了8字节明显是错误的！

34、60;  总而言之，尽管*a和*b之间能依靠类继承关系相互转化，而*a和*b不能有这种推论。虚基类的构造函数   编译器必须要保证所有的虚函数指针要被正确的初始化。特别是要保证类中所有虚基类的构造函数都要被调用，而且还只能调用一次。如果你写代码时自己不显示调用构造函数，编译器会自动插入一段构造函数调用代码。这将会导致一些奇怪的结果，同样考虑下上面的类继承结构图，不过要加入构造函数。 1 class Top 2  3 public: 4    Top() a

35、 = -1;   5    Top(int _a) a = _a;   6    int a; 7  8  9 class Left : public Top10 11 public:12    Left() b = -2; 13    Left(int _a, int 

36、;_b) : Top(_a) b = _b; 14    int b;15 16 17 class Right : public Top18 19 public:20    Right() c = -3; 21    Right(int _a, int _c) : Top(_a) c = _c; 22    int c;23&#

37、160;24 25 class Bottom : public Left, public Right26 27 public:28    Bottom() d = -4;  29    Bottom(int _a, int _b, int _c, int _d) : Left(_a, _b), Right(_a, _c) 30      31