多重继承地内存分布

1、实用标准文案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;34 if (r = b)5 printf( "Equal!/n u);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(nonvirtual)的多重继承。看看下面这个C+类层次结构。

2、1 class Top2 3 public :4 int a;5 )；667891012131415161718181920212224class Left: public Top(public :intb;)；class Right: public Top(public :intc;)；class Bottom : public Left, public Right(public :intd;)；用UML表述如下：Bottom注意到Top类实际上被继承了两次，（这种机制在Eiffel中被称作a属性repeated inheritanee） ，这就意味着在一个bottom对象中实际上有两个（a

3、ttributes，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？ G

4、CC是这样处理的：BottomLeft;:Top;1aLeft:bRight:;Top:aRight :cBottomed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?Bottom中相应的部分。1 Right* right = bottom;如果我们要使这段代码正常工作的话

5、，我们需要调整指针指向通过调整，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 = 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*) bot

6、tom;同样topR和right也将这两个赋值语句执行之后，topL和left指针将指向同一个地址， 指向同一个地址。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1 class Top2 3 public:4 int a;5 )；67 class Left: virtual public Top8 9 public:10 int b;11 )；1213 class Right: virtual public Top14 15 public:16 int c;17 )；1818 class Bottom : public Left, public Right19 20 public

7、:21 intd;22 )；2412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：BottomLeft:'Top: aLeft: hRight :c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

8、类Top。class Toppublic :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 :34566789101213141516171818192021int d;精彩文档22 ）； 2412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

9、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：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Right: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up

10、casted的bottom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 ”。在类中每个虚基类都会存在与之对应的一个vptr指针。为了给大家展

11、示virtual table作用，考虑下如下代码。Bottom* bottom = new Bottom o ;Left* left = bottom;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 # % eax = left2 movl(%eax), % eax# % eax = left .vptr.Left3 movl(%eax), % eax# % eax = virtual base offset4 addlleft, % eax # %eax = left +

12、virtual base offset5 movl(%eax), % eax# % eax = left .a6 movl % eax , p# 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，如果我们假设Bottom中每个成员都是4字节大小，那么Left指针加

13、 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。right T这里对于P的赋值语句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R

14、ight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Leftvptr Left : viable for Left Left.:b: intTop:a: imMabie for Left virtual offset: int of依眈 to top ; Int = 0Rightviable Tar Rightvptr Right: vtaLle

15、for RightRiciht:： i： : iniTop.a : intpoint; to r，JMrtualoffset: Int = SnffseitAtop : im = 0 typeinfo : lypdnfo for Right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 )。Down cast ing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，dow ncast ing 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

16、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 Ano therBottom : public Left, public Right2 3 public:4 inte;5 intf;6 ）；这个继承关系如下图所示那么现在考虑如下代码1 Bottom* bottoml = new Bottom o ；2 AnotherBottom* bottom2 = new AnotherBottom();3 Top* topi = bottoml;4 Top* top2 = bottom2;5 Left* left = static_

17、cast <Left*>(top1);F 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。topiAno therBottomvpthLeftLeft; :bvptrRjghtRight: cAnotherBQvtorTi;ftop2 ->Top:;atopi 指现在我们来考虑考虑从topi到left的static_cast ，注意这里我们并不清楚对于针指向的对象是Bottom还是AnotherBottom。这里是根本不能编译通过的！ 因为根本不能确认topi运行时需要调整的偏移量（对于Bottom是20 ,对于A

18、notherBottom 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dyn amic_cast :1 Left* left = dyn amic_cast <Left*>(top1);不过编译器仍然会报错的error: cannot dyn amic_cast 'top' (of type 'class Top*) t

19、otype '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topi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，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 )；这就迫使编译器为Top

20、类添加了一个vptr。下面来看看Bottom新的内存布局:Bottomwptr.Ljeft: vtible f or Bottom :intwprtr.Right: vtable for BottomFlight:堆:lnttiattom： ： d : iniwptrTap : vt&ble for BottomTop:.a inxvtab Ie forBonam point; To wlnual offset: int =20 offset to top : mt = 0point 5 v.itypeirft:评“inf。kiEsouomvirtual base offset: in

21、t = 12offsei to top : ini = 6type info : typeinfo for Boltcim virtual bue off ret: Irit - 0offset to t op : int = 20typeirfo :iypeinfo for BonomTmpATopO是的，其它派生类(Left、Right)都会添加一个vptr.top，编译器为dynamijcast生成了 一个库 函数调用。1 left = _dynamic_cast （topi, typeinfoJor_Top, typeinfo_for_Left, -1）;_dynamic_cast 定

22、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和类Top之间的关系未明。女口果想详细 了解，请参看tin fo.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Dow ncast ing中的类继承结构图作为例子。2 Bottom* b = new Bottom o ；3 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

23、可以把Bottom*类型的值赋值给Right*对象。但是Bottom*和Right*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: in valid con version 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;注意*rr是Rig

24、ht*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*什的赋值操作。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字节一一明显是错误的！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

25、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，同样考虑下上面的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，类继承结构图，不过要加入构造函数。1 class Top2 (3 public :4 Top() a = - 1;5 Top( int _a) a = _a;6 int a;7 )；89 class Left : public Top10 (11 public :12 Left() b = - 2;13 Left( int _a, int _b) : Top(_a) b = _b;14 intb;15 )；1616 class Right: public Top17 18 public :19 Right。 c = 3;20 Right( int _a, int _c) : Top(_a) c = _c;21 int c;22 )；2423 class Bottom : public Left, public Right24 25 public :26 Bottom() d = -4 ;27 Bottom( int