多重继承的内存分布.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流多重继承的内存分布.精品文档.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？1Bottom* b =newBottom();2Right* r = b;34if(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.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

2、这个C+类层次结构。1classTop23public:4inta;5;67classLeft :publicTop89public:10intb;11;1213classRight :publicTop1415public:16intc;17;1819classBottom :publicLeft,publicRight2021public:22intd;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Eiffel中被称作repeatedinheritance)，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.Le

3、ft: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:1Left* left =newLeft();2Top* 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Botto

4、m指针将会有什么结果?1Bottom* bottom =newBottom();2Left* 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?1Right* 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

5、址。最后，我们考虑下:1Top* 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：1Top* topL = (Left*) bottom;2Top* 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。1class Top23publi

6、c:4inta;5;67class Left : virtual public Top89public:10intb;11;1213class Right : virtual public Top1415public:16intc;17;1819class Bottom : public Left, public Right2021public:22intd;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

7、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:1Right* right = bottom;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。1class Top23public:4inta;5;67class Left : virtual public Top89public:10intb;11;1213class Right : virtual public Top1415public:16intc;17;1819class Bottom : public

8、Left, public Right2021public:22intd;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:1Right* 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

9、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

10、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“virtualtable”。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virtualtable作用，考虑下如下代码。1Bottom* bottom = new Bottom();2Left* left = bottom;3intp = 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。1movlleft, %eax# %eax=left2movl(%eax

11、), %eax# %eax=left.vptr.Left3movl(%eax), %eax# %eax=virtualbaseoffset4addlleft, %eax# %eax=left+virtualbaseoffset5movl(%eax), %eax# %eax=left.a6movl%eax,p #p=left.a总结下，我们用left指针去索引(找到)virtualtable，然后在virtualtable中获取到虚基类的偏移(virtualbaseoffset,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

12、可以看到对于Left指针，它的virtualbaseoffset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。1Bottom* bottom = new Bottom();2Right* right = bottom;3intp = 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virtualtable另一个地址，我们得到的virtua

13、lbaseoffset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

14、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:1class AnotherBottom : public Left, public Right23public:4inte;5intf;6; 这个继承关系如下图所示: 那么现在考虑如下代码1Bottom* bottom1 =newBottom();2AnotherBottom* bottom2 =newAnotherBottom();3Top* t

15、op1 = bottom1;4Top* top2 = bottom2;5Left* left =static_cast(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 conver

16、t 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：1Left* left =dynamic_cast(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

17、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。1classTop23public:4virtualTop() 5inta;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。1left = _dynamic_cast(top1, typeinfo_for

18、_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。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。1Bottom* b =newBottom();2Right* 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

19、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？1Bottom* bb = &b;2Right* 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*

20、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

21、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。1classTop23public:4 Top() a = -1; 5 Top(int_a) a = _a; 6inta;7;89classLeft :publicTop1011public:12 Left() b = -2; 13 Left(int_a,int_b) : Top(_a) b = _b; 14intb;15;1617classRi

22、ght :publicTop1819public:20 Right() c = -3; 21 Right(int_a,int_c) : Top(_a) c = _c; 22intc;23;2425classBottom :publicLeft,publicRight2627public:28 Bottom() d = -4; 29 Bottom(int_a,int_b,int_c,int_d) : Left(_a, _b), Right(_a, _c)3031d = _d;3233intd;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?1Bottom bottom(1,2,3

23、,4);2printf(%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(

24、)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1Bottom(int_a,int_b,int_c,int_d): Top(_a), Left(_a,_b), Right(_a,_c)23 d = _d;4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？1Bottom* b =newBottom();2Right* r = b;34if(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.