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 (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:
注意到Top 类实际上被继承了两次， ( 这种机制在 Eif fel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：
[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：
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。
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 ) 。
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 :
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。
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
movl
left
, %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。
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 。
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:
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。
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 。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
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：
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！
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
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 , in particular the C++ ABI Summary , the 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++ website, in particular the section on the C++ Standard Library API .
[3] 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 .