浅析GCC下C++多重继承 & 虚拟继承的对象内存布局

继承是C++作为OOD程序设计语言的三大特征（封装，继承，多态）之一，单一非多态继承是比较好理解的，本文主要讲解GCC环境下的多重继承和虚拟继承的对象内存布局。

一、多重继承

      先看几个类的定义：

 

01

class Top

02

{

03

public:

04

int a;

05

};

06

07	class Left : public Top

08

{

09

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

};

 

          不难想象，Left和Right类的内存布局如下图所示：

 

                 

          我们如下进行验证：

 

1	Left *left = new Left();

2	Top *top = left;

3	cout << left <<  ' ' << top << endl;//输出：0x902c008       0x902c008

4	Right *right = new Right();

5	top = right;

6	cout << right << ' ' << top << endl;//输出：0x902c018       0x902c018

 

         从输出结果可以看出，父类指针top指向子类对象left和right的起始地址，与上述内存布局吻合。

 

         在非虚拟多重继承的情况下，子类的内存布局是什么样子的呢？如下所示：

           

          可以看出，Bottom类由于继承了Left和Right，而Left和Right又分别继承了Top。因此，Bottom包含了Top两次！

          下面进行验证：

 

1	Bottom *bottom = new Bottom();

1	//  top = bottom;     //error: ‘Top’ is an ambiguous base of ‘Bottom’

1	top = (Left *)bottom;

1	left = bottom;

2	cout << bottom << ' ' << top << ' ' << left << endl;//输出:0x9930028 0x9930028 0x9930028

3	top = (Right *)bottom;

4	right = bottom;

5	cout << bottom << ' ' << top << ' ' << right << endl;//输出:0x9930028 0x9930030 0x9930030

         从输出结果可以看出，left指针和right指针分别指向了bottom对象中它们所处的位置： 

              

        由于bottom对象中存在两部分top对象，因此不能直接用top指针指向bottom对象，因为编译器不知道你的意图到底是指向left中的 bottom部分，还是right中的bottom部分。需要进行转换才可以。如果需要通过bottom指针分别访问left和right中的top部 分，可以如下：  bottom->Left::a，  bottom->Right::a。

 

         好了，到这里讲完了非虚拟继承下的多重继承的内存布局情况，相信大家应该有一个比较清晰的认识了。最重要的一点是： 多重继承时，父类共同继承的祖父类会在子类中有多份存在。

 

 

二、虚拟继承

     平时讨论的最多的是虚函数，很少涉及到虚拟继承的情况。那么，虚拟继承到底是一个什么概念呢？

      先来看一个例子：    

 

01	#include <iostream>

02	using namespace std;

03

04	class Father

05

{

06

public:

07

int a;

08

};

09

10	class Child : virtual public Father

11

{

12

public:

13

int b;

14

};

15

16	int main()

17

{

18	cout << sizeof(Father) << ' ' << sizeof(Child) << endl;//输出：4   12

19	Child child;

20	cout << &child << ' ' << &child.b << ' ' << &child.a << endl;//输出：0xbfc08124 0xbfc08128 0xbfc0812c

21

return 0;

22

}

 

 

 

      对，你没有看错，类的大小输出不是4   8，而是4   12。虚拟继承时，编译器会在子类中安插上一个虚表指针。

      从输出的对象成员地址来看，我们可以得到Child类的如下内存布局：

         

      现在我们对多重继承的例子进行改造：

 

01

class Top

02

{

03

public:

04

int a;

05

};

06

07	class Left : virtual public Top

08

{

09

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

};

 

     把Left和Right改成了虚拟继承Top。

 

      从上面验证简单虚拟继承时，编译器安插虚表指针的例子，我们可以想象出此时Bottom类的对象内存布局如下：

        

        对，你没有看错！虚拟继承时，子类只有父类共同继承的祖父类的一份存在。这其实也就是虚拟继承的最大用途。此时，Top，Left，Right和Bottom对象的大小分别为：4  ，12  ，12 ，24。

         既然有虚表指针了，那么Bottom的虚表是什么样的呢？请看：

        

        有了虚表，内存布局情况一目了然。下面我们进行验证：

 

1	Bottom *bottom = new Bottom();

2	top = bottom;

3	cout << bottom << ' ' << top << endl;//输出：0x9fa5028       0x9fa503c

4	Left *left = bottom;

5	cout << bottom << ' ' << left << endl;//输出：0x9fa5028       0x9fa5028

6	Right *right = bottom;

7	cout << bottom << ' ' << right << endl;//输出：0x9fa5028       0x9fa5030

  根据输出结果，我们可以知道指针的指向情况：

    

由于引入了虚指针和虚表，left指针和right指针可以根据虚表提供的偏移量信息，轻松访问到Top::a。

到此为止，已经讨论清楚了多重继承和虚拟继承下的对象内存布局情况。总结下：非虚拟多重继承时，子类会有父类

共同继承祖父类的多份存在；虚拟继承时，子类会被安插一个虚拟指针；多重虚拟继承时，子类只有父类共同继承祖父类的一

份存在。通过父类的虚拟指针，可以正确地访问祖父类中的成员。