C++ 之多重繼承

1. C++中class與struct。

在C++里面，class與struct沒有本質(zhì)的區(qū)別，只是class的默認權(quán)限是private，而struct則是public。這個概念也揭示了一點：class和struct在內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)上是一致的。所以我們可以利用這一點來探討class的實現(xiàn)原理。我們可以將class轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的struct對象，通過struct的簡單性來展示class的內(nèi)存存儲結(jié)構(gòu)。

2. 關(guān)于class的基本內(nèi)存結(jié)構(gòu)

class包括成員變量和成員函數(shù)。對于成員變量，其結(jié)構(gòu)和struct的結(jié)構(gòu)是一致的，即按照聲明的順序，安排每個成員的內(nèi)存位置。對于成員函數(shù)，如果是非虛函數(shù)（包括普通函數(shù)和靜態(tài)函數(shù)），他們實際上同其他函數(shù)沒有區(qū)別。對于非靜態(tài)非虛函數(shù)，默認隱藏了this參數(shù)。當編譯時，編譯器將函數(shù)地址直接編譯進去。因此，這類函數(shù)沒有動態(tài)能力。對于虛函數(shù)，其函數(shù)地址將存在類this指針關(guān)聯(lián)的虛函數(shù)內(nèi)（參見上一篇文章），在運行時，從虛函數(shù)表內(nèi)取得地址后再調(diào)用。

這樣一個不帶虛函數(shù)的類的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，等同與一個類似的struct，而帶虛函數(shù)的類的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，等同于一個帶有虛函數(shù)指針的struct。我用偽代碼可以清晰的表示出來：

[cpp]?view plaincopy

class?ClassA?{??

???int?a;??

???flaot?b;??

???void?*c;??

};??

//等同于??

struct?StructA?{??

???int?a;??

???float?b;??

???void?*c;??

<span?style="font-family:Arial,?Helvetica,?sans-serif;">};??

??

//帶虛函數(shù)的類</span><pre?name="code"?class="plain">offset?A::a=0,?offset?B::a=8,?offset?B::b=12??

b=0x7fffad613130,?pa=0x7fffad613138??

class ClassAWithVirtual { int a; float b; void* c; virtual ~ClassAWithVirtual();};//等同于struct StructAWithVirtual { VTable *vtable; //包括虛函數(shù)表的vtable int a; float b; void *c;};

3. class的單線繼承

單線繼承是很簡單也很容易理解的一種繼承方式。如果有class B繼承自class A。那么，在class B的低地址部分，是class A的成員空間。這樣class B可以直接轉(zhuǎn)換為class A。

如果class A有虛函數(shù)，那么class B必須也有虛函數(shù)表。那么，如果class A沒有虛函數(shù)，而class B卻有虛函數(shù)，那么這個時候的內(nèi)存分布應(yīng)該是什么樣呢？class B還能否直接轉(zhuǎn)換為class A呢?

[cpp]?view plaincopy

#include?<stdio.h>??

#include?<stddef.h>??

??

#define?OFFSET(X,m)?(offsetof(X,?m))??

??

class?A?{??

public:??

????int?a;??

};??

??

class?B?:?public?A{??

public:??

????int?b;??

????virtual?~B()?{?}??

};??

??

int?main()?{??

????printf("offset?A::a=%d,?offset?B::a=%d,?offset?B::b=%d\n",?OFFSET(A,a),?OFFSET(B,?a),?OFFSET(B,?b));??

??

????B?b;??

????A?*pa?=?&b;??

????printf("b=%p,?pa=%p\n",?&b,?pa);??

??

????return?0;??

}??

在G++ 4.6 ubuntu 10.04下，輸出的結(jié)果是

[cpp]?view plaincopy

offset?A::a=0,?offset?B::a=8,?offset?B::b=12??

b=0x7fffad613130,?pa=0x7fffad613138??

很明顯的可以看到，當B有虛函數(shù)時，B必須在內(nèi)存的開始處添加一個8字節(jié)（64位系統(tǒng)）的虛函數(shù)表指針。這個時候，在class B內(nèi)，A的成員變量不能從偏移為0的位置開始了。

3. 不帶虛函數(shù)的C++的多重繼承類的內(nèi)存分布

一般情況下，如果一個類繼承自兩個類以上，那么，它的內(nèi)存分布會像壘磚頭那樣一層一層的添加上去。比如

[cpp]?view plaincopy

#include?<stdio.h>??

#include?<stddef.h>??

??

??

class?A?{??

public:??

????int?a;??

};??

??

??

class?B?{??

public:??

????int?b;??

};??

??

??

class?C?:?public?A,?public?B{??

public:??

????int?c;??

};??

??

??

int?main()?{??

????printf("Offset:?C::a=%d,?C::b=%d,?C::c=%d\n",?offsetof(C,?a),?offsetof(C,?b),?offsetof(C,?c));??

????C?c;??

????A?*pa?=?&c;??

????B?*pb?=?&c;??

??

??

????printf("c=%p,?pa=%p,?pb=%p\n",?&c,?pa,?pb);??

??????

????return?0;??

};??

輸出結(jié)果是

[cpp]?view plaincopy

Offset:?C::a=0,?C::b=4,?C::c=8??

c=0x7fffc90bbab0,?pa=0x7fffc90bbab0,?pb=0x7fffc90bbab4??

這個與預(yù)想的很相似，它的等價結(jié)構(gòu)是

[cpp]?view plaincopy

struct?C?{??

???struct?A?a;??

???struct?B?b;??

???int?c;??

};??

的確像磚頭一樣，先放A，在放B，最后C的成員放上去。

那么，再考慮一種情況，如果是這樣一種繼承方式：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?A

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? / ? ? \ ? ? ??

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? B ? ? ?C

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?\ ? ? ?/

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?D

那么A的成員在D內(nèi)部是一份還是兩份？

[cpp]?view plaincopy

#include?<stdio.h>??

#include?<stddef.h>??

??

class?A?{??

public:??

????int?a;??

};??

??

class?B?:?public?A{??

public:??

????int?b;??

};??

??

class?C?:?public?A?{??

public:??

????int?c;??

};??

??

class?D?:?public?B,?public?C?{??

public:??

???int?d;??

};??

??

int?main()?{??

????printf("Offset:?D::a=%d,?D::b=%d,?D::c=%d,?D::d\n",?offsetof(D,?B::a),?offsetof(D,?b),?offsetof(D,?c),?offsetof(D,?d));??

????D?d;??

????B?*pb?=?&d;??

????C?*pc?=?&d;??

????A?*pa_b?=?(A*)pb;??

????A?*pa_c?=?(A*)pc;??

??

????printf("d=%p,?pa_b=%p,?pa_c=%p,?pb=%p,?pc=%p,?d.B::a=%p,?d.C::a=%p\n",?&d,?pa_b,?pa_c,?pb,?pc,?&d.B::a,?&d.C::a);??

??????

????return?0;??

};??

先看一下輸出結(jié)果：

[cpp]?view plaincopy

Offset:?D::a=0,?D::b=4,?D::c=12,?D::d??

d=0x7fffad730f30,?pa_b=0x7fffad730f30,?pa_c=0x7fffad730f38,?pb=0x7fffad730f30,?pc=0x7fffad730f38,?d.B::a=0x7fffad730f30,?d.C::a=0x7fffad730f38??

事實上，如果我直接寫b.a是錯誤的，因為編譯器不知到應(yīng)該選擇那個a。同樣的，如果寫A *pa = &d也是錯誤的。

結(jié)合輸出結(jié)果，class D內(nèi)部仍然等同于

[cpp]?view plaincopy

struct?D?{??

???struct?B?b;??

???struct?C?c;??

???int?d;??

};??

而且存在兩份A，這兩份A分別包含在B和C內(nèi)部。在使用時，必須正確指出是那個。
?

由此可見，不管繼承層次有多深，C++總是按照這種壘磚頭的方式疊加。如果有祖先類內(nèi)部有重復(fù)包含，那么，C++也會重復(fù)包含相同的內(nèi)容。

這也提醒我們，多重繼承不能太復(fù)雜，否則就很難搞清楚其結(jié)構(gòu)關(guān)系了。

4. 帶虛函數(shù)的類的多重繼承的內(nèi)存分布

帶虛函數(shù)的情況下，情況會變得非常復(fù)雜。首先，對于最簡單的一種繼承方式

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?A ? ? ?B

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? \ ? /
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?C

我們需要分好幾種情況來考慮：

? ?1、A B虛 C非虛

? ?2、A B 非虛，C虛
? ?3、A B 其中一個虛，C虛

? ?4、A B C 都虛

4.1 A B 虛 C非虛

如果只有A虛， 按照默認的規(guī)則，A的內(nèi)存會被安排在偏移0處。這個時候，A的虛函數(shù)表也就是C的虛函數(shù)表。

如果只有B虛，因為B的內(nèi)存會被安排在A之后，那么，B的虛函數(shù)表應(yīng)該在B所在位置，C沒有虛函數(shù)表。

4.2 A B 不虛，C虛

這種情況下，虛函數(shù)表應(yīng)該在偏移0處，然后才是A和B的內(nèi)存結(jié)構(gòu)。我們來驗證一下：

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C++ 多重继承之内存存储的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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