多重虚继承下的对象内存布局

《深入C++对象模型》绝对是一本值得深读的一本书，书里多次出现一句话，“一切常规遇见虚继承，都将失效”。这是一个有趣的问题，因为C++标准容忍对象布局的实现有较大的自由，出现了各编译器厂商实现的方式不同。

今天谈谈visual studio2013多重虚继承下对象布局。有错不要客气，不要吝啬你的留言。

 

class y和class z都是从class x虚继承来的子类（也叫派生类），class A是class y和class z的多重继承子类。为了简化问题，下面的data member都是none_static data member。不提static data member是为了描述起来简单~

#include<iostream>
class x
{
public:
    int _x;
};
class y : public virtual x
{
public:
    int _y;
};
class z : public virtual x
{
public:
    int _z;
};
class A:public z,public y
{
public:
    int _a;
};
    int main()
{
    std::cout <<"sizeof(x): "<< sizeof(x) << std::endl;
    std::cout <<"sizeof(y): "<< sizeof(y) << std::endl;
    std::cout <<"sizeof(A): "<< sizeof(A) << std::endl;
    std::cout <<"&A::_x :"<< &A::_x << std::endl;;
    std::cout << "&A::_y :" << &A::_y << " " << std::endl;
    std::cout << "&A::_z :" << &A::_z << " " << std::endl;
    std::cout <<"&A::_a :"<< &A::_a << " " << std::endl;

    getchar();
    return 0;
}

输出：

sizeof(x): 4
sizeof(y): 12
sizeof(A): 24

sizeof(x)和sizeof(y)的结果在我们的意料中：x中没有虚函数，所以sizeof(x) = sizeof(int)。class y虚继承自class x，它需要一个指针指向类似于virtual base table的指针（下面简称vbptr)，指向自己实际的x对象地址，所以sizeof(y)=2*sizeof(int) + sizeof(vbptr），我使用32位编译器生成的代码，所以sizeof(y)=12.

按照我开始的料想，sizeof(A)应该等于sizeof(int)*4(分别是：_x,_y,_z,_a) + sizeof(vbptr)=20。这里的vbptr指向了唯一的x实例。

（注意啦，我要开始了）

C++标准中有规定，子类的对象模型中，应该保持父类对象的布局。在上面，我们说了sizeof(y)=2*sizeof(int) + sizeof(vbptr）。但，我们还说了，常规遇见虚继承就可能失效。

根据虚继承的概念，class x的data member只会出现class A中一次，所以sizeof(A)=sizeof(y::vbptr+y::_y + z::vbptr + z::_z + x::_x)

用公式表示出来sizeof(A) = sizeof(base class a1) +sizeof(base class a2) +...+ sizeof(base class an) + sizeof(virtual inheritance(虚继承父类))  - N*sizeof(virtual inheritance(虚继承父类)) 

所以A的对象大小等于：继承部分大小再加上A中自己data member 大小。

要非常注意的是，这里的大小是指数据对齐后的大小，这里的对齐需要注意两点：第一是，类对象中包含类对象时的对齐；第二是，父类对象的内存布局应该被保持：从普通继承（相对虚继承）的类中拆开公有的类对象，他们分别会保持内存布局。（非常的绕口，我决定把这个问题另开一篇帖子讨论，此处稍后放上链接）

而vbptr因为出在了两个父类中，已经不需要额外的一个vbptr指向了。

你是不是要问这个vbptr（虚基类表指针）到底是干什么的？

我们知道虚继承的父类x，无论它被派生多次，它在最后多重继承的子类中，只存在一份实例。这样可能出现这样的情况：

y object_y;

A object_A;

object_A._x =1;

object_y = object_A;//这里发生类对象的剪切，将子类中的非父类成员剪去，剩下的赋给父类。

可能你还没有明白，没关系，我再啰嗦一句~

抱歉没有很好的绘图工具，我们使用“|“来隔开内存中的成员。

 object_y 的内存布局应该是这样的：vbptr | _y | _x，注意先实例化父类，再实例化子类的原则因为虚继承的原因失效了！这里实例化虚继承的子类对象时，先实例化非公有部分（也就是除了class x的data member部分：class y的int _y），再实例化，虚继承的父类的data member部分，也就是公有部分class x 中的int _x。

而，object_A的内存布局应该是这样的：vbptr_z | _z | vbptr_y | _y | _a | _x，注意我们多重继承的先后顺序：class A:public z,public y，这个顺序决定了z的对象布局在y对象前面。因为虚继承的原因，我们对象布局发生了改变：先实例化不共享部分（也就是class y和class z中除了class x的成员），这个部分依然是先父类再子类。最后才是虚继承的公共部分：class x的成员。

我们发现，直接进行内存布局的剪切行不通（红色部分），这需要编译器介入，但编译器也不是神仙啊，它需要信息去找_x在哪里，这就是vbptr中存的信息——它告诉编译器去哪里找_x，这里的信息可能是偏移，也可能是指针。为什么是表呢？而不是直接指向成员的指针呢？因为，如果你再虚继承几个父类，你的这个指针会越来越多，对象的规模也就越来越大，这不能容忍。使用表可以始终只占一个指针大小，只是需要间址查询，但是这完全可以由编译器优化之。