多重繼承地內(nèi)存分布

1、指針的比較再以上面Bottom 類繼承關(guān)系為例討論，下面這段代碼會打印Equal嗎？1 Bottom* b = new Bottom();2 Right* r = b;33 if (r = b)4 printf( "Equal! /n ");先明確下這兩個指針實際上是指向不同地址的，r指針實際上在b指針所指地址上偏移 8字節(jié)，但是，這些C+內(nèi)部細節(jié)不能告訴 C+程序員，所以C+編譯器在比較r和b時, 會把r減去8字節(jié)，然后再來比較，所以打印出的值是"Equal".多重繼承首先我們先來考慮一個很簡單(non-virtual)的多重繼承。看看下面這個C+類層

2、次結(jié)構(gòu)。1 class Top2 3 public :4 int a;5 ;66 class Left : public Top7 8 public :9 int b;10 ;1213 class Right : public Top14 15 public :16 int c;17 ;18Right18 class Bottom : public Left, public19 20 public :21 int d;22 ;24用UML表述如下：Leftb : intBottom注意到Top類實際上被繼承了兩次，(這種機制在Eiffel中被稱作repeated inheritanee)，這就

3、意味著在一個bottom 對象中實際上有兩個a屬性 （attributes ，可以通過 bottom.Left:a 和 bottom.Right:a 訪問）。那么Left、Right、Bottom 在內(nèi)存中如何分布的呢？我們先來看看簡單的Left和Right內(nèi)存分布:Right類的布局和Left是一樣的，因此我這里就沒再畫圖了。刺猬注意到上面類各自的第一個屬性都是繼承自Top類，這就意味著下面兩個賦值語句1 Left* left = new Left（）;2 Top* top = left;left和top實際上是指向兩個相同的地址，我們可以把Left對象當作一個 Top對象（同樣也可以把 R

4、ight對象當Top對象來使用）。但是Botom 對象呢？GCC是這樣處理的：但是現(xiàn)在如果我們upcast 一個Bottom指針將會有什么結(jié)果？1 Bottom* bottom = new Bottom。；2 Left* left = bottom;這段代碼運行正確。這是因為 GCC選擇的這種內(nèi)存布局使得我們可以把Bottom 對象當作Left對象，它們兩者（Left部分）正好相同。但是，如果我們把Bottom 對象指針upcast 到Right對象呢？1 Right* right = bottom;如果我們要使這段代碼正常工作的話，我們需要調(diào)整指針指向Bottom 中相應(yīng)的部分。通過調(diào)整，我

5、們可以用right指針訪問Bottom 對象，這時Bottom 對象表現(xiàn)得就如 Right 對象。但是bottom 和right指針指向了不同的內(nèi)存地址。最后，我們考慮下：1 Top* top = bottom;恩，什么結(jié)果也沒有，這條語句實際上是有歧義(ambiguous)的，編譯器會報錯：error:'Top' is an ambiguous base of 'Bottom'。其實這兩種帶有歧義的可能性可以用如下語句加以區(qū)分：1 Top* topL = (Left*) bottom;2 Top* topR = (Right*) bottom;這兩個賦值語句執(zhí)

6、行之后，topL和left指針將指向同一個地址，同樣topR和right也將指向同一個地址。虛擬繼承為了避免上述Top類的多次繼承，我們必須虛擬繼承類Top。1 class Top2 3 public :4 int a;5 ;66 class Left : virtual public Top7 8 public :9 int b;10 ;1213 class Right : virtual public Top14 15 public :16 int c;17 ;1818 class Bottom : public Left, public Right19 20 public :21 int

7、 d;22 ;24上述代碼將產(chǎn)生如下的類層次圖（其實這可能正好是你最開始想要的繼承方式）。對于程序員來說，這種類層次圖顯得更加簡單和清晰，不過對于一個編譯器來說，這就復(fù)雜得多了。我們再用Bottom 的內(nèi)存布局作為例子考慮，它可能是這樣的：BottomLeft:'Top: aLeft: hRight :c這種內(nèi)存布局的優(yōu)勢在于它的開頭部分（Left部分）和Left的布局正好相同，我們可以很輕易地通過一個Left指針訪問一個 Bottom 對象。不過，我們再來考慮考慮Right:1 Right* right = bottom;虛擬繼承為了避免上述Top類的多次繼承，我們必須虛擬繼承類To

8、p。1 class Top2 3 public :4 int a;5 ;66 class Left : virtual public Top7 8 public :9 int b;10 ;1213 class Right : virtual public Top14 15 public :16 int c;17 ;1818 class Bottom : public Left, public Right19 20 public :21 int d;22 ；24上述代碼將產(chǎn)生如下的類層次圖（其實這可能正好是你最開始想要的繼承方式）。對于程序員來說，這種類層次圖顯得更加簡單和清晰，不過對于一個編譯

9、器來說，這就復(fù)雜得多了。我們再用Bottom 的內(nèi)存布局作為例子考慮，它可能是這樣的：這種內(nèi)存布局的優(yōu)勢在于它的開頭部分（Left部分）和Left的布局正好相同，我們可以很輕易地通過一個Left指針訪問一個 Bottom 對象。不過，我們再來考慮考慮Right:1 Right* right = bottom;這里我們應(yīng)該把什么地址賦值給right指針呢？理論上說，通過這個賦值語句，我們可以把這個right指針當作真正指向一個 Right對象的指針（現(xiàn)在指向的是Bottom）來使用。但實 際上這是不現(xiàn)實的！ 一個真正的Right對象內(nèi)存布局和 Bottom 對象Right部分是完全不同的，所以其

10、實我們不可能再把這個 upcasted的bottom 對象當作一個真正的 right對象 來使用了。而且，我們這種布局的設(shè)計不可能還有改進的余地了。這里我們先看看實際上內(nèi)存是怎么分布的，然后再解釋下為什么這么設(shè)計。上圖有兩點值得大家注意。第一點就是類中成員分布順序是完全不一樣的（實際上可以說是正好相反）。第二點，類中增加了vptr指針，這些是被編譯器在編譯過程中插入到類中的（在設(shè)計類時如果使用了虛繼承，虛函數(shù)都會產(chǎn)生相關(guān)vptr）。同時，在類的構(gòu)造函數(shù)中會對相關(guān)指針做初始化，這些也是編譯器完成的工作。Vptr指針指向了一個"virtual table ”。在類中每個虛基類都會存在與之

11、對應(yīng)的一個vptr指針。為了給大家展示virtual table 作用,考慮下如下代碼。1 Bottom* bottom = new Bottom。;2 Left* left = bottom;3 int p = left->a;第二條的賦值語句讓 left指針指向和bottom同樣的起始地址（即它指向Bottom 對象的“頂部”）。我們來考慮下第三條的賦值語句。1 movl left , %eax # % eax = left2 movl (% eax), % eax# % eax = left .vptr.Left3 movl (% eax), % eax# % eax = virt

12、ual base offset4 addl left , % eax # % eax = left + virtual base offset5 movl (% eax), % eax # % eax = left .a6 movl % eax , p# p = left .a總結(jié)下，我們用left指針去索引(找到)virtual table，然后在virtual table中獲取到虛基類的偏移(virtual base offset, vbase)，然后在left指針上加上這個偏移量，這樣我們就獲取到了 Bottom 類中Top類的開始地址。從上圖中，我們可以看到對于Left指針,它的vir

13、tual base offset 是20 ,如果我們假設(shè) Bottom 中每個成員都是 4字節(jié)大小，那么 Left指針加上20字節(jié)正好是成員a的地址。我們同樣可以用相同的方式訪問Bottom 中 Right 部分。1 Bottom* bottom = new Bottom。;2 Right* right = bottom;3 int p = right->a;right指針就會指向在 Bottom 對象中相應(yīng)的位置。right T這里對于p的賦值語句最終會被編譯成和上述left相同的方式訪問a。唯一的不同是就是vptr，我們訪問的vptr現(xiàn)在指向了 virtual table另一個地址，

14、我們得到的virtual base offset 也變?yōu)?2。我們畫圖總結(jié)下：20當然，關(guān)鍵點在于我們希望能夠讓訪問一個真正單獨的Right對象也如同訪問一個經(jīng)過upcasted （到Right對象）的 Bottom 對象一樣。這里我們也在Right對象中引入 vptrs 。Mabie for Left virtual offset : int of依眈 to top ; Int = 0Rightpoint; to rviable Tar Rightvptr Right : vtaLle for Right Riciht:：i：: iniTop.a : intMrtualoffset: Int

15、 = Snffseittop : im = 0 typelnfo : lypdnfo for Right1JOK，現(xiàn)在這樣的設(shè)計終于讓我們可以通過一個Right指針訪問Bottom對象了。不過，需要提醒的是以上設(shè)計需要承擔一個相當大的代價：我們需要引入虛函數(shù)表，對象底層也必須擴展以支持一個或多個虛函數(shù)指針，原來一個簡單的成員訪問現(xiàn)在需要通過虛函數(shù)表兩次間接尋址（編譯器優(yōu)化可以在一定程度上減輕性能損失）。Down cast ing如我們猜想，將一個指針從一個派生類到一個基類的轉(zhuǎn)換（casting）會涉及到在指針上添加偏移量?？赡苡信笥巡孪?，dow ncast ing 個指針僅僅減去一些偏移量就行

16、了吧。實際上， 非虛繼承情況下確實是這樣，但是，對于虛繼承來說，又不得不引入其它的復(fù)雜問題。這里我們在上面的例子中添加一些繼承關(guān)系：1 class Ano therBottom : public Left, public Right2 3 public:4 inte;5 intf;6 ;這個繼承關(guān)系如下圖所示那么現(xiàn)在考慮如下代碼1 Bottom* bottoml = new Bottom。；2 AnotherBottom* bottom2 = new AnotherBottom();3 Top* topi = bottoml;4 Top* top2 = bottom2;5 Left* left

17、 = static_cast <Left*>(top1);F面這圖展示了 Bottom 和AnotherBottom的內(nèi)存布局，同時也展示了各自top指針所指向的位置。topiAno therBottomvpthLeftLeft; :bvptrRjghtRight: cAnotherBQvtorTi;ftop2 >Top:;a現(xiàn)在我們來考慮考慮從top1到left的static_cast ，注意這里我們并不清楚對于top1指針指向的對象是 Bottom 還是AnotherBottom。這里是根本不能編譯通過的！因為根本不能確認topi運行時需要調(diào)整的偏移量(對于Bottom

18、是20 ,對于AnotherBottom是24)。所以編譯器將會提出錯誤：error: cannot convert from base 'Top' to derived type 'Left'via virtual base 'Top'。這里我們需要知道運行時信息，所以我們需要使用dyn amic_cast :1 Left* left = dyn amic_cast <Left*>(top1);不過，編譯器仍然會報錯的error: cannot dyn amic_cast 'top' (of type 'cl

19、ass Top*') totype 'class Left*' (source type is not polymorphic)。 關(guān)鍵問題在于使用dynamic_cast(和使用typeid 一樣)需要知道指針所指對象的運行時信息。但是，回頭看看上面的結(jié)構(gòu)圖，我們就會發(fā)現(xiàn)topi指針所指的僅僅是一個整數(shù)成員a。編譯器沒有在 Bottom 類中包含針對top的vptr，它認為這完全沒有必要。為了強制編譯器在 Bottom 中包含top的vptr，我們可以在top類里面添加一個虛析構(gòu)函數(shù)。1 class Top2 3 public :4 virtual Top() 5 i

20、nt a;6 ；這就迫使編譯器為 Top類添加了一個vptr。下面來看看 Bottom 新的內(nèi)存布局:Bottompoint; Tovtab le forBonamwptr.Ljeft : vtible f or Bottomwlnualoffset: int =20: intoffset to top : mt = 0wprtr.Right : vtable for Bottom-_ point 5 v.itypeirft-;評“info kiEsouomFlight:堆:Intvirtual base offset: int = 12tiattom：d : inioffsei to top

21、 : ini = 6wptrTap : vt&ble for Bottomtype info : typeinfo for BoltcimTop:.a . inxvirtual bue off ret: Irit - 0offset to t op : int = 20typeirfo :iypeinfo for BonomTmpTopO是的，其它派生類（Left、Right）都會添加一個 vptr.top ,編譯器為dynamic_cast生成了 一個庫函數(shù)調(diào)用。1 left = _dynamic_cast（top1, typeinfo_for_Top, typeinfo_for_L

22、eft, -1）;_dynamic_cast 定義在 libstdc+（ 對應(yīng)的頭文件是 cxxabi.h），有了 Top、Left 和 Bottom 的類型信息，轉(zhuǎn)換得以執(zhí)行。其中，參數(shù) -1代表的是類Left和類Top之間的關(guān)系未明。女口 果想詳細了解，請參看 tin fo.cc的實現(xiàn)。二級指針這里的問題初看摸不著頭腦，但是細細想來有些問題還是顯而易見的。這里我們考慮一個 問題，還是以上節(jié)的Dow ncast ing中的類繼承結(jié)構(gòu)圖作為例子。1 Bottom* b = new Bottom。；2 Right* r = b;（在把b指針的值賦值給指針 r時，b指針將加上8字節(jié)，這樣r指針才指

23、向Bottom 對象 中Right部分）。因此我們可以把 Bottom*類型的值賦值給 Right*對象。但是Bottom* 和 Right*兩種類型的指針之間賦值呢？1 Bottom* bb = &b;2 Right* rr = bb;編譯器能通過這兩條語句嗎？實際上編譯器會報錯 ：error: in valid con version from'Bottom*' to 'Right*'為什么？不妨反過來想想，如果能夠?qū)b賦值給rr，如下圖所示。所以這里bb和rr兩 個指針都指向了 b , b和r都指向了 Bottom對象的相應(yīng)部分。那么現(xiàn)在考慮考慮

24、如果給 *rr 賦值將會發(fā)生什么。1 *rr = b;注意*rr是Right*類型（一級）的指針，所以這個賦值是有效的！這個就和我們上面給r指針賦值一樣（*rr是一級的Right*類型指針，而r同樣是一級Right*指針）。所以，編譯器將采用相同的方式實現(xiàn)對*rr的賦值操作。實際上，我們又要調(diào)整b的值，加上8字節(jié)，然后賦值給*rr，但是現(xiàn)在*rr其實是指向b的!如下圖呃，如果我們通過rr訪問Bottom對象，那么按照上圖結(jié)構(gòu)我們能夠完成對Bottom對象的訪問，但是如果是用b來訪問Bottom 對象呢，所有的對象引用實際上都偏移了8字節(jié)一一明顯是錯誤的!總而言之，盡管*a和*b之間能依靠類繼承

25、關(guān)系相互轉(zhuǎn)化，而*a和*b不能有這種推論。虛基類的構(gòu)造函數(shù)編譯器必須要保證所有的虛函數(shù)指針要被正確的初始化。特別是要保證類中所有虛基類的構(gòu)造函數(shù)都要被調(diào)用，而且還只能調(diào)用一次。如果你寫代碼時自己不顯示調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，編譯器會自動插入一段構(gòu)造函數(shù)調(diào)用代碼。這將會導(dǎo)致一些奇怪的結(jié)果，同樣考慮下上面的類繼承結(jié)構(gòu)圖，不過要加入構(gòu)造函數(shù)。1 class Top2 3 public :4 Top() a = -1; 5 Top( int _a) a = _a; 6 int a;7 ；88 class Left : public Top9 10 public :11 Left() b = -2;12 Left( int _a, int _b) : Top(_a) b = _b; 13 int b;14 ;1615 class Right : public Top16 17 public :18 Right() c = -3;19 Right( int _a, int _c) : Top(_a) c = _c; 20 int c;21 ;2422 class Bottom : public Left, public Right23 24 public :25 Bottom() d = -4 ; 26 Bottom( int _a, int _b, int