钻石型虚拟多重继承的C++对象内存模型

发布时间:2016-12-6 8:58:00 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
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转载自:http://www.cnblogs.com/liu-jun/archive/2013/05/17/3083736.html 文章写的不错,是在陈浩大哥的基础上通过使用cl的方式,更加简洁了许多。说的简单明了,为了备忘,转载一下。 钻石型虚拟多重继承的C++对象内存模型 关于C++对象内存布局的资料和书籍也有很多,比如陈皓老师的博客: 1、C++对象的内存布局(上) 2、C++对象的内存布局(下) 白杨: RTTI、虚函数和虚基类的实现方式、开销分析及使用指导 左手为你画猜: C++类对象内存模型与成员函数调用分析(上、中、下) 关于讲解C++对象内存模型最好的书应该是侯捷老师翻译的《深度探索C++对象内存模型》。 这两天在看其他书籍时,对C++中虚拟继承的实现机制不太理解,于是又重新翻回《深度探索C++对象内存模型》一书,并结合C++对象的内存布局(下)一文。在Visual Studio 2010下用“cl”编译器进行测试,查看虚拟多重继承下的C++对象内存模型。总结如下: 一、重复继承 所谓重复继承,即某个基类被间接地重复继承了多次。为方便对比说明,下面的代码采用了陈皓老师博客中C++类例子。 UML类图如下: 类继承的源代码如下,直接采用C++对象的内存布局(下)中的例子,相关解释已在原博客中详细说明,故在此不再赘述: 1 #include <iostream> 2 using namespace std; 3 4 class B 5 { 6 public: 7 int ib; 8 char cb; 9 public: 10 B():ib(0),cb('B') 11 {} 12 virtual void f() 13 { 14 cout<<"B::f()"<<endl; 15 } 16 virtual void Bf() 17 { 18 cout<<"B::Bf()"<<endl; 19 } 20 }; 21 22 class B1:public B 23 { 24 public: 25 int ib1; 26 char cb1; 27 public: 28 B1():ib1(01),cb1('1'){} 29 30 virtual void f() 31 { 32 cout<<"B1::f()"<<endl; 33 } 34 virtual void f1() 35 { 36 cout<<"B1::f1()"<<endl; 37 } 38 virtual void Bf1() 39 { 40 cout<<"B1::Bf1()"<<endl; 41 } 42 }; 43 44 class B2:public B 45 { 46 public: 47 int ib2; 48 char cb2; 49 public: 50 B2():ib2(10),cb2('2'){} 51 virtual void f() 52 { 53 cout<<"B2::f()"<<endl; 54 } 55 virtual void f2() 56 { 57 cout<<"B2::f2()"<<endl; 58 } 59 virtual void Bf2() 60 { 61 cout<<"B2::Bf2()"<<endl; 62 } 63 }; 64 65 class D: public B1, public B2 66 { 67 public: 68 int id; 69 char cd; 70 public: 71 D():id(100),cd('D'){} 72 73 virtual void f() 74 { 75 cout<<"D::f()"<<endl; 76 } 77 virtual void f1() 78 { 79 cout<<"D::f1()"<<endl; 80 } 81 virtual void f2() 82 { 83 cout<<"D::f2()"<<endl; 84 } 85 virtual void Df() 86 { 87 cout<<"D::Df()"<<endl; 88 } 89 90 }; 91 int main(int argc, char *argv[]) 92 { 93 D d; 94 system("pause"); 95 return 0; 96 } 在陈皓老师博客中,直接利用函数指针调用C++对象起始位置处虚函数表指针指向的虚函数表中的虚函数,以查看C++对象的内存模型。下面我们主要采用Visual Studio 2010 和 Visual C++下的“cl”编译器查看C++对象内存模型。 在Visual Studio 2010 IDE开发环境中,我们查看派生类D对象的内存模型。如下图所示:    从上两图我们可以基本看出: 1、派生类D对象d的内存布局中,由其基类依次组装而成,再加上派生类自己的成员变量。 2、其中基类布局依次按照在派生类中的声明顺序排列。 3、每个基类都有自己的虚函数表,指向虚函数表的指针_vfptr放置在最前面的位置。 为了再进一步了解重复继承中的C++对象内存模型,我们采用Visual C++下的“cl”编译器进行查看。 在“Microsoft Visual C++”的编译环境中,我们可以利用编译器“cl”、链接器“link”、可执行文件查看器“dumpbin”来查看Windows下可执行文件(COFF格式)的变量、函数怎么存储。 “cl”即Visual C++ 的编译器,即“Compiler”的缩写。在Visual Studio 2010安装完后,会有一个批处理文件用来建立运行这些工具所需要的环境。它位于开始/程序/Microsoft Visual Studio 2010/Visual Studio Tools/Viusual Studio 2010 Command Prompt,这样我们就可以利用命令行使用VC++的编译器了。 在“cl”编译器中有个编译选项可以查看C++类的内存布局,使用如下:打开Visual Studio的命令行提示符即Viusual Studio 2010 Command Prompt,按如下格式输入: >cl [.cpp] /d1reportSingleClassLayout[classname] d1reportSingleClassLayout可以查看源文件中所有类及结构体的内存布局,classname为类名,/d1reportSingleClassLayout[classname]之间没有空格。使用如下图所示: 使用cl编译器查看重复继承中的C++对象内存模型结果如下图所示:  从上图可以看出,编译器在实现时使用了字节对齐(Alignment),以实现在对象内存中存取更有效率。字节对齐就是将数值调整到某数的整数倍,在32位计算机中,通常Alignment为4bytes,以使bus的“运输量”达到最高效率。 可以看出,派生类D对象在内存中占有44个字节。  重复继承中的C++对象内部模型用图片表示如下: 从图中可以看出,在派生类D中,存在着两份基类B的成员实例,分别为ib和cb,所以在C++对象的内存布局(下)指出这样可能会出现二义性编译错误。我们可以指定类作用域符::进行限定来消除二义性,也可以在语言层面利用虚拟继承机制来解决。 二、钻石型多重虚拟继承  在《深度探索C++对象模型》中提到:一个virtual base class subobject只会在derived class中存在一份实体,不管它在class继承体系中出现多少次! 因此,虚拟继承的就是为了解决重复继承中多个间接父类的问题。钻石型的结构就是最经典的虚拟多重继承结构。 UML类图如下:     如上图,让B1和B2各自维护的一个B子对象,折叠成一个由D维护的单一的B子对象,并且还可以保存基类和派生类的指针之间的多态指定操作,这对于编译器实现来说,难度非常高。《深度探索C++对象模型》提到一般的实现方法如下所述:将D对象分割为两部分,一个不变局部和一个共享局部。不变局部中的数据,不管后继如何衍化,总是拥有固定的偏移量,所以这一部分数据可以被直接存取,至于共享局部,所表现的就是虚拟继承的基类子对象,这一部分的数据,其位置会因为每次的派生操作而有变化,所以它们是间接存取。 所以,一般的布局策略是安排好派生类对象的不变部分,然后再建立其共享部分。在接下来的分析可以看出,VC++编译器实现中,在每一个派生类对象中插入一些指针vbptr,每个指针指向一个虚拟继承的基类子对象。要存取继承得来的基类子对象,可以使用相关指针间接完成。 要实现虚拟继承,我们只需要在B1和B2继承B的语法中加入virtual关键字即可。实现代码如下:    View Code   使用cl编译器查看钻石型虚拟重复继承中的C++对象内存模型结果如下图所示:     从上图可以看出,虚拟重复继承中的派生类D对象在内存中占有52字节,比之前多了8个字节。  虚拟重复继承中的C++对象内部模型用图片表示如下:   从图中可以看出,VC++编译器在实现虚拟继承时,在派生类的对象中安插了两个vbptr指针。因此,对每个继承自虚基类的类实例,将增加一个隐藏的“虚基类表指针”(vbptr)成员变量,从而达到间接计算虚基类位置的目的。该变量指向一个全类共享的偏移量表,表中项目记录了对于该类而言,“虚基类表指针”与虚基类之间的偏移量。由上可以看出,B1虚基类表指针vbptr与虚基类B之间的偏移量是40字节,B2虚基类表指针vbptr与虚基类B之间的偏移量是24字节。第一项中-4的含义:表示的是vptr和vbptr的距离,如果B1中没有虚函数的定义,这个地方就会是0。vbptr就是存放在vptr下面的位置。 我们注意到在虚拟继承的C++对象内存布局中,还有一个4个字节的vtordisp字段,vtordisp在MSDN中这样解释: Enables the addition of the hidden vtordisp construction/destruction displacement member. The vtordisp pragma is applicable only to code that uses virtual bases. If a derived class overrides a virtual function that it inherits from a virtual base class, and if a constructor or destructor for the derived class calls that function using a pointer to the virtual base class, the compiler may introduce additional hidden “vtordisp” fields into classes with virtual bases. 也就是说如果虚拟继承中派生类重写了基类的虚函数,并且在构造函数或者析构函数中使用指向基类的指针调用了该函数,编译器会为虚基类添加vtordisp域。 但在本例中,vtordisp为什么存在于C++派生类对象中,对象如何使用它,我却不得而知,希望向大家请教。 至此,我们已经分析完在VC++编译器实现中的重复继承和钻石型虚拟重复继承的C++对象内存模型。这篇博客也花了大概4个小时,时间挺久,但非常值得,希望大家多多指教。

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