1、前言

C++虛繼承的內(nèi)存模型是一個經(jīng)典的問題，其具體實現(xiàn)依賴于編譯器，可能會出現(xiàn)較大差異，但原理和最終的目的是大體相同的。本文將對g++中虛繼承的內(nèi)存模型進行詳細解析。

2、多繼承存在的問題

C++的多繼承是指從多個直接基類中產(chǎn)生派生類的能力，多繼承的派生類繼承了所有父類的成員。從概念上來講這是非常簡單的，但是多個基類的相互交織可能會帶來錯綜復(fù)雜的設(shè)計問題，命名沖突就是不可回避的一個，比如典型的是菱形繼承，如圖2-1所示：

在圖2-1中，類A派生出類B和類C，類D繼承自類B和類C，這個時候類A中的成員變量和成員函數(shù)繼承到類D中變成了兩份，一份來自A–>B–>D這條路徑，另一份來自A–>C–>D這條路徑。
在一個派生類中保留間接基類的多份同名成員，雖然可以在不同的成員變量中分別存放不同的數(shù)據(jù)，但大多數(shù)情況下這是多余的，因為保留多份成員變量不僅占用較多的存儲空間，還容易產(chǎn)生命名沖突。假如類A有一個成員變量a，那么在類D中直接訪問a就會產(chǎn)生歧義，編譯器不知道它究竟來自A -->B–>D這條路徑，還是來自A–>C–>D這條路徑。下面是菱形繼承的代碼實現(xiàn)：

#include <iostream>
#include <stdint.h>

class A
{
public:
    long a;
};

class B: public A
{
public:
    long b;
};


class C: public A
{
public:
    long c;
};

class D: public B, public C
{
public:
    void seta(long v) { a = v; } // 命名沖突
    void setb(long v) { b = v; } // 正確
    void setc(long v) { c = v; } // 正確
    void setd(long v) { d = v; } // 正確

private:
    long d;
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    D d;
}

這段代碼就是圖2-1所示的菱形繼承的具體實現(xiàn)，可以看到在類D的seta()方法中，代碼試圖直接訪問間接基類的成員變量a，結(jié)果發(fā)生了錯誤，因為類B和類C中都有成員變量a（都是從類A繼承的），編譯器不知道選用哪一個，所以產(chǎn)生了歧義。

為了消除歧義，我們可以在使用a時指明它具體來自哪個類，代碼如下：

void seta(long v) { B::a = v; }
/* 或 */
void seta(long v) { C::a = v; }

使用GDB查看變量d的內(nèi)存布局，如圖2-2所示：

于是我們可以畫出變量d的內(nèi)存布局，如圖2-3所示：

3、虛繼承簡介

為了解決多繼承時命名沖突和冗余數(shù)據(jù)的問題，C++提出了虛繼承這個概念，虛繼承可以使得在派生類中只保留一份間接基類的成員。使用方式就是在繼承方式前面加上virtual關(guān)鍵字修飾，示例代碼如下（基于前面的例子修改）：

#include <iostream>
#include <stdint.h>

class A
{
public:
    long a;
};

class B: virtual public A
{
public:
    long b;
};


class C: virtual public A
{
public:
    long c;
};

class D: public B, public C
{
public:
    void seta(long v) { a = v; } // 現(xiàn)在不會沖突了
    void setb(long v) { b = v; } // 正確
    void setc(long v) { c = v; } // 正確
    void setd(long v) { d = v; } // 正確

private:
    long d;
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    D d;
}

可以看到這段代碼使用虛繼承重新實現(xiàn)了前面提到的那個菱形繼承，這樣在派生類D中就只保留了一份間接基類A的成員變量a了，后續(xù)再直接訪問a就不會出現(xiàn)歧義了。虛繼承的目的是讓某個類做出聲明，承諾愿意共享它的基類，這個被共享的基類就稱為虛基類（Virtual Base Class），本例中的類A就是一個虛基類。在這種機制下，不論虛基類在繼承體系中出現(xiàn)了多少次，在派生類中都只包含一份虛基類的成員。本例的繼承關(guān)系如圖3-1所示：

從這個新的繼承體系中我們可以發(fā)現(xiàn)虛繼承的一個特征：必須在虛派生的真實需求出現(xiàn)前就已經(jīng)完成虛派生的操作。在圖3-1中，我們是當(dāng)定義類D時才出現(xiàn)了對虛派生的需求，但是如果類B和類C不是從類A虛派生得到的，那么類D還是會保留間接基類A的兩份成員，示例代碼如下：

#include <iostream>
#include <stdint.h>

class A
{
public:
    long a;
};

class B: public A
{
public:
    long b;
};


class C: public A
{
public:
    long c;
};

class D: virtual public B, virtual public C
{
public:
    void seta(long v) { a = v; } // 錯誤，不能等到定義類D時再來做虛繼承的工作
    void setb(long v) { b = v; } // 正確
    void setc(long v) { c = v; } // 正確
    void setd(long v) { d = v; } // 正確

private:
    long d;
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    D d;
}

換個角度講，虛派生只影響從指定了虛基類的派生類中進一步派生出來的類，它不會影響派生類本身。在實際開發(fā)中，位于中間層次的基類將其繼承聲明為虛繼承一般不會帶來什么問題。通常情況下，使用虛繼承的類層次是由一個人或者一個項目組一次性設(shè)計完成的。對于一個獨立開發(fā)的類來說，很少需要基類中的某一個類是虛基類，況且新類的開發(fā)者也無法改變已經(jīng)存在的類體系。

4、虛繼承在標準庫中的使用

C++標準庫中的iostream就是一個虛繼承的典型案例。iostream是從istream和ostream直接繼承而來的，而istream和ostream又都繼承自一個名為ios的類，這個就是一個典型的菱形繼承。此時istream和ostream必須采用虛繼承，否則將導(dǎo)致iostream中保留兩份ios的成員。

iostream相關(guān)的源代碼如下（從gcc-2.95.3版本中摘錄出來的，內(nèi)容有所省略）：

struct _ios_fields
{ // The data members of an ios.
    streambuf *_strbuf;
    ostream* _tie;
    int _width;
    __fmtflags _flags;
    _IO_wchar_t _fill;
    __iostate _state;
    __iostate _exceptions;
    int _precision;

    void *_arrays; /* Support for ios::iword and ios::pword. */
};

class ios : public _ios_fields
{...};

class istream : virtual public ios
{...};

class ostream : virtual public ios
{...};

class iostream : public istream, public ostream
{
public:
    iostream() { }
    iostream(streambuf* sb, ostream*tied=NULL);
};

5、虛繼承下派生類的內(nèi)存布局解析

g++中是沒有所謂的虛基類表的（據(jù)說vs是有單獨一個虛基類表的），只有一個虛表，由于平時用的比較多的是虛函數(shù)，所以一般情況下都直接管它叫做虛函數(shù)表，在g++編譯環(huán)境下這種叫法其實是不嚴謹?shù)?。測試程序如下：

#include <iostream>
#include <stdint.h>

class A
{
public:
    long a;
};

class B: virtual public A
{
public:
    long b;
};

class C: virtual public A
{
public:
    long c;
};

class D: public B, public C
{
public:
    void seta(long v) { a = v; }
    void setb(long v) { b = v; }
    void setc(long v) { c = v; }
    void setd(long v) { d = v; }

private:
    long d;
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    D d;
    d.seta(1);
    d.setb(2);
    d.setc(3);
    d.setd(4);
}

類D在當(dāng)前編譯器(GCC 4.8.5)下的內(nèi)存布局如圖5-1所示：

從圖5-1中可以看出這個表和之前這篇文章《一文讀懂C++虛函數(shù)的內(nèi)存模型》講的虛函數(shù)表是差不多的，就多了一個vbase_offset而已。因為這里的類設(shè)計比較簡單，沒有把虛函數(shù)加進來，有虛函數(shù)的話_vptr.B或者_vptr.C下面的內(nèi)存空間存儲的就是指向?qū)?yīng)虛函數(shù)的指針了（以下只講_vptr.B的相關(guān)內(nèi)容，_vptr.C同理就不贅述了）。

這里可以看到_vptr.B指向的是虛函數(shù)的起始地址（因為這里沒有虛函數(shù)，所以下面緊接著就是_vptr.C的內(nèi)容），而不是與它相關(guān)聯(lián)的全部信息的起始地址，事實上從圖5-1中可以看出_vptr.B - 3 ~ _vptr.B這個范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)都是類B虛表的內(nèi)容（不知道編譯器為什么這么設(shè)計，這里也進行揣測了），這三個特殊的內(nèi)存地址存儲的內(nèi)容解析如下：

_vptr.B - 1：這里存儲的是typeinfo for D，里面的內(nèi)容其實也是一個指針，指向的是類D的運行時信息，這些玩意都是為了支持RTTI的。RTTI的相關(guān)內(nèi)容以后會講，這里就先不多分析了。_vptr.B - 2：這里存儲的是offset_to_top，這個表示的是當(dāng)前的虛表指針距離類開頭的距離，可以看到對于_vptr.B來說這個值就是0，因為_vptr.B就存在于類D的起始位置，而對于_vptr.C來說這個值是-16，大家可以算一下_vptr.C與類D的起始位置確實是差兩個地址也就是16個字節(jié)（64位系統(tǒng)），至于為什么是負數(shù)，這是因為堆內(nèi)存是向下增長的，越往下地址數(shù)值越大。

offset_to_top深度解析：在多繼承中，由于不同基類的起點可能處于不同的位置，因此當(dāng)需要將它們轉(zhuǎn)化為實際類型時，this指針的偏移量也不相同。由于實際類型在編譯時是未知的，這要求偏移量必須能夠在運行時獲取。實體offset_to_top表示的就是實際類型起始地址到當(dāng)前這個形式類型起始地址的偏移量。在向上動態(tài)轉(zhuǎn)換到實際類型時（即基類轉(zhuǎn)派生類），讓this指針加上這個偏移量即可得到實際類型的地址。需要注意的是，由于一個類型即可以被單繼承，也可以被多繼承，因此即使只有單繼承，實體offset_to_top也會存在于每一個多態(tài)類型之中。
（這里要注意一點就是offset_to_top只存在于多態(tài)類型中，所以我們可以看到在第二小節(jié)那個例子中，根本就沒有什么所謂的虛表之類的東西，它也就不支持RTTI，最簡單的大家可以使用dynamic_cast去試試，會報錯說該類型不具備多態(tài)性質(zhì)的。那么問題來了，怎樣才能以最簡短的方式讓它具備多態(tài)的性質(zhì)呢？很簡單，定義一個析構(gòu)函數(shù)，用virtual修飾即可）

_vptr.B - 3：這里存儲的是vbase_offset，這個表示的是當(dāng)前虛表指針與其對應(yīng)的虛基類的距離。從圖中可以看出對于_vptr.B來說這個值是40，算一下剛好是_vptr.B與a的差距，_vptr.C同理。

vbase_offset深度解析：以測試程序為例，對于類型為B的引用，在編譯時，無法確定它的虛基類A它在內(nèi)存中的偏移量。因此，需要在虛表中額外再提供一個實體，表明運行時它的基類所在的位置，這個實體稱為vbase_offset，位于offset_to_top上方。

接下來我們通過GDB來驗證一下前面講的內(nèi)容，先打印出變量d的內(nèi)存信息，如圖5-2所示：

從圖5-2中可以看到變量d的內(nèi)容與前面分析的差不多，接下來我們來看一下這兩個虛表的內(nèi)容，如圖5-3所示：

從圖5-3中可以看出前面的內(nèi)存圖是正確的，接下來就再看一下變量d自身的內(nèi)存布局，如圖5-4所示：

圖5-4顯示出的結(jié)果和前面圖5-1的完全一致，到這里調(diào)試就結(jié)束了，由調(diào)試結(jié)果可以知道圖5-1的內(nèi)存模型是正確的。

這里要補充一點，就是對于虛繼承下的類D，和第二節(jié)那個沒有虛繼承的相比，基類A的位置被移動到了類D的最末尾，不過不用擔(dān)心，運行時可以靠vbase_offset找到它。

6、總結(jié)

本文先是對虛繼承的概念以及使用場景進行了說明，然后通過一個內(nèi)存模型圖向大家展示了g++下虛繼承的內(nèi)存形態(tài)，最后使用GDB查看實際的內(nèi)存情況來驗證內(nèi)存模型圖的正確性。本文為了更直觀地展示虛繼承的內(nèi)存模型，示例設(shè)計得很簡單，類的設(shè)計中只有一個成員變量而沒有成員函數(shù)、虛函數(shù)等其它內(nèi)容。本文與前文《一文讀懂C++虛函數(shù)的內(nèi)存模型》相當(dāng)于拋磚引玉，為下文作鋪墊，在下一篇文章中我將對一些稍微復(fù)雜一點的情景進行分析，看看完整形態(tài)的虛表究竟是什么樣的。

到此這篇關(guān)于關(guān)于C++虛繼承的內(nèi)存模型問題的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++虛繼承的內(nèi)存模型內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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