C++对象模型：多重继承和虚继承的内存布局

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2022-08-05 05:06 304阅读 0赞

这是一篇译文，原文地址：[这里][Link 1]； 翻译的文章转自：[点击打开链接][Link 2]

这篇文章主要讲解虚继承的C++对象内存分布问题，从中也引出了dynamic\_cast和static\_cast本质区别、虚函数表的格式等一些大部分C++程序员都似是而非的概念。原文见[这里][Link 1](By Edsko de Vries, January 2006)

敬告: 本文是介绍C++的技术文章，假定读者对于C++有比较深入的认识，同时也需要一些汇编知识。

本文我们将阐释GCC编译器针对多重继承和虚拟继承下的对象内存布局。尽管在理想的使用环境中，一个C++程序员并不需要了解这些编译器内部实现细节，实际上，编译器针对多重继承(特别是虚拟继承)的各种实现细节对于我们编写C++代码都或多或少产生一些影响(比如downcasting pointer、pointers to pointers 以及虚基类构造函数的调用顺序)。如果你能明白多重继承是如何实现的，那么你自己就能够预见到这些影响，进而能够在你的代码中很好地应对它们。再者，如果你十分在意的代码的运行效率，正确地理解虚继承也是很有帮助的。最后嘛，这个hack的过程是很有趣的哦:)

# **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 :**public** Top  
 8 \{  
 9 **public**:  
10  **int** b;  
11 \};  
12   
13 **class** Right :**public** Top  
14 \{  
15 **public**:  
16  **int** c;  
17 \};  
18   
19 **class** Bottom :**public** Left, **public** Right  
20 \{  
21 **public**:  
22  **int** d;  
23 \};  
24   
用UML表述如下:

![nonvirtual.png][]

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？我们先来看看简单的Left和Right内存分布：

![0_12736531677GBf.gif][]

\[Right 类的布局和Left是一样的，因此我这里就没再画图了。刺猬\]

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?GCC是这样处理的：

![0_127365353528Rp.gif][]

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?

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【**上边这行代码能够执行**，因为相对于派生类Bottom来说，基类Right的指针right指向派生类对象的指针bottom，这样就完成了将派生类对象的指针转换为基类子对象的指针；基类对象可以作为独立对象存在，也可以作为派生类对象的一部分而存在。】。

![0_1273653869xvg5.gif][]

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\*) 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也将指向同一个地址**。

# **虚拟继承** #

为了避免上述对基类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  **public**:  
10  **int** b;  
11 \};  
12   
13 class Right : virtual public Top  
14 \{  
15  **public**:  
16  **int** c;  
17 \};  
18   
19 class Bottom : public Left, public Right  
20 \{  
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)。

![virtualinheritance][]

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【实际内存布局不是这样的，具体见后边】是这样的:

![0_1273655159s7Ib.gif][]

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。

![vtable][]

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 movlleft, %eax \# %eax =left  
2 movl (%eax), %eax \# %eax =left**.vptr.Left**  
3 movl (%eax), %eax \# %eax =virtual base offset  
4 addl left, %eax \# %eax =left \+ virtual base offset  
5 movl (%eax), %eax \# %eax =left.a  
6 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。

![0_1273655967O7t0.gif][]

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：

![virtualinheritance][virtualinheritance 1]

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。

![vtable2][]

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 AnotherBottom : public Left, public Right  
2 \{  
3  **public**:  
4  **int** e;  
5  **int** f;  
6 \};

这个继承关系如下图所示:

![virtual2][]

那么现在考虑如下代码

1 Bottom\* bottom1 =**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。

![0_127371949465x8.gif][]

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\* 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（Top类的指针top1或top2指向的是派生类对象指针bottom1或bottom2中Top类对象的部分，这里即指向的是Top::a，而不会指向Top的派生类自己的部分）。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，我们可以在多态基类top类里面添加一个虚析构函数（参考文章**[条款07 为多态基类声明virtual析构函数 ][07 _virtual_]**）**。

1 **class** Top  
2 \{  
3  **public**:  
4  **virtual** ~Top() \{\}  
5  **int** a;  
6 \};

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：

![vtable4.png][]

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和类Top之间的关系未明。如果想详细了解，请参看[tinfo.cc][]的实现。

**总结**

最后，我们再聊聊一些相关内容。

# **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\*\*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;

注意\*rr是Right\*类型(一级)的指针，所以这个赋值是有效的！

![doublepointers][]

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

![doublepointers2.png][]

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！

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 = -1; \}  
 5  Top(**int** \_a) \{ a = \_a; \}  
 6  **int** a;  
 7 \};  
 8   
 9 **class** Left :**public** Top  
10 \{  
11 **public**:  
12  Left() \{ b = -2; \}  
13  Left(**int** \_a,**int** \_b) : Top(\_a) \{ b = \_b; \}  
14  **int** b;  
15 \};  
16   
17 **class** Right :**public** Top  
18 \{  
19 **public**:  
20  Right() \{ c = -3; \}  
21  Right(**int** \_a,**int** \_c) : Top(\_a) \{ c = \_c; \}  
22  **int** c;  
23 \};  
24   
25 **class** Bottom :**public** Left, **public** Right  
26 \{  
27 **public**:  
28  Bottom() \{ d = -4; \}  
29  Bottom(**int** \_a,**int** \_b, **int** \_c, **int** \_d) : Left(\_a, \_b), Right(\_a, \_c)  
30  \{  
31  d = \_d;  
32  \}  
33  **int** d;  
34 \};  
35   
先来考虑下不包含虚函数的情况，下面这段代码输出什么?

1 Bottom bottom(1,2,3,4);  
2 printf("%d%d%d%d%d/n", bottom.Left::a, bottom.Right::a, bottom.b, bottom.c, bottom.d);  
你可能猜想会有这样结果：

1 1 2 3 4

但是，如果我们考虑下包含虚函数的情况呢，如果我们从Top虚继承派生出子类，那么我们将得到如下结果：

\-1 -1 2 3 4  
如本节开头所讲，编译器在Bottom中插入了一个Top的默认构造函数，而且这个默认构造函数安排在其他的构造函数之前，当Left开始调用它的基类构造函数时，我们发现Top已经构造初始化好了，所以相应的构造函数不会被调用。如果跟踪构造函数，我们将会看到

Top::Top()  
Left::Left(1,2)  
Right::Right(1,3)  
Bottom::Bottom(1,2,3,4)  
为了避免这种情况，我们应该显示地调用虚基类的构造函数

1 Bottom(**int** \_a,**int** \_b, **int** \_c, **int** \_d): Top(\_a), Left(\_a,\_b), Right(\_a,\_c)  
2 \{  
3  d = \_d;  
4 \}

# **到void\* 的转换** #

1 **dynamic\_cast**<**void**\*>(b);

最后我们来考虑下把一个指针转换到void \*。编译器会把指针调整到对象的开始地址。通过查vtable，这个应该是很容易实现。看看上面的vtable结构图，其中offset to top就是vptr到对象开始地址。另外因为要查阅vtable，所以需要使用dynamic\_cast。

**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".

**参考文献**

\[1\] [ CodeSourcery][CodeSourcery], in particular the [ C++ ABI Summary][C_ ABI Summary], the [ Itanium C++ ABI][Itanium C_ ABI] (despite the name, this document is referenced in a platform-independent context; in particular, the[structure of the vtables][] is detailed here). The libstdc++ implementation of dynamic casts, as well RTTI and name unmangling/demangling, is defined in[tinfo.cc][].

\[2\] The [ libstdc++][libstdc] website, in particular the section on the [ C++ Standard Library API][C_ Standard Library API].

\[3\] [ C++: Under the Hood][C_ Under the Hood] by Jan Gray.

\[4\] Chapter 9, “Multiple Inheritance” of *Thinking in C++ (volume 2)* by[Bruce Eckel][]. The author has made this book available for[download][].

[Link 1]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance.html
[Link 2]: http://blog.csdn.net/littlehedgehog/article/details/5442430
[nonvirtual.png]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance/nonvirtual.png
[0_12736531677GBf.gif]: /images/20220805/c8542b2335d74c5090107d5b023ed4a6.png
[0_127365353528Rp.gif]: /images/20220805/db7cc2c19dd04d8f8fe9b08bc71c4969.png
[0_1273653869xvg5.gif]: /images/20220805/b633c0eab15f4739bb20cb09fcf89ff6.png
[virtualinheritance]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance/virtual.png
[0_1273655159s7Ib.gif]: /images/20220805/0efff70c8fb14cb88493671be418ba01.png
[vtable]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance/vtable.png
[0_1273655967O7t0.gif]: /images/20220805/2da013a903ed44b4a067de9e44cba4f1.png
[virtualinheritance 1]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance/vtable3.png
[vtable2]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance/vtable2.png
[virtual2]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance/virtual2.png
[0_127371949465x8.gif]: /images/20220805/eae2441685be4937a490eb6b277b4f15.png
[07 _virtual_]: http://blog.csdn.net/u013074465/article/details/42913717
[vtable4.png]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance/vtable4.png
[tinfo.cc]: http://www.codesourcery.com/public/cxx-abi/gcc-tinfo.cc
[doublepointers]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance/doublepointers.png
[doublepointers2.png]: http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance/doublepointers2.png
[CodeSourcery]: http://www.codesourcery.com/
[C_ ABI Summary]: http://www.codesourcery.com/public/cxx-abi/
[Itanium C_ ABI]: http://www.codesourcery.com/public/cxx-abi/abi.html
[structure of the vtables]: http://www.codesourcery.com/public/cxx-abi/abi.html#vtable
[libstdc]: http://gcc.gnu.org/libstdc++/
[C_ Standard Library API]: http://gcc.gnu.org/onlinedocs/libstdc++/api.html
[C_ Under the Hood]: http://www.openrce.org/articles/files/jangrayhood.pdf
[Bruce Eckel]: http://www.bruceeckel.com/
[download]: http://mindview.net/Books/DownloadSites