来源：http://blog.csdn.net/haoel/article/details/3081328

前言

07年12月，我写了一篇《C++虚函数表解析》的文章，引起了大家的兴趣。有很多朋友对我的文章留了言，有鼓励我的，有批评我的，还有很多问问题的。我在这里一并对大家的留言表示感谢。这也是我为什么再写一篇续言的原因。因为，在上一篇文章中，我用了的示例都是非常简单的，主要是为了说明一些机理上的问题，也是为了图一些表达上方便和简单。不想，这篇文章成为了打开C++对象模型内存布局的一个引子，引发了大家对C++对象的更深层次的讨论。当然，我之前的文章还有很多方面没有涉及，从我个人感觉下来，在谈论虚函数表里，至少有以下这些内容没有涉及：

1）有成员变量的情况。

2）有重复继承的情况。

3）有虚拟继承的情况。

4）有钻石型虚拟继承的情况。

这些都是我本篇文章需要向大家说明的东西。所以，这篇文章将会是《C++虚函数表解析》的一个续篇，也是一篇高级进阶的文章。我希望大家在读这篇文章之前对C++有一定的基础和了解，并能先读我的上一篇文章。因为这篇文章的深度可能会比较深，而且会比较杂乱，我希望你在读本篇文章时不会有大脑思维紊乱导致大脑死机的情况。;-)

对象的影响因素

简而言之，我们一个类可能会有如下的影响因素：

1）成员变量

2）虚函数（产生虚函数表）

3）单一继承（只继承于一个类）

4）多重继承（继承多个类）

5）重复继承（继承的多个父类中其父类有相同的超类）

6）虚拟继承（使用virtual方式继承，为了保证继承后父类的内存布局只会存在一份）

上述的东西通常是C++这门语言在语义方面对对象内部的影响因素，当然，还会有编译器的影响（比如优化），还有字节对齐的影响。在这里我们都不讨论，我们只讨论C++语言上的影响。

本篇文章着重讨论下述几个情况下的C++对象的内存布局情况。

1）单一的一般继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）

2）单一的虚拟继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）

3）多重继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）

4）重复多重继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）

5）钻石型的虚拟多重继承（带成员变量、虚函数、虚函数覆盖）

我们的目标就是，让事情越来越复杂。

知识复习

我们简单地复习一下，我们可以通过对象的地址来取得虚函数表的地址，如：

typedef void(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虚函数表地址：" << (int*)(&b) << endl;
cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;

// Invoke the first virtual function 
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
pFun();

我们同样可以用这种方式来取得整个对象实例的内存布局。因为这些东西在内存中都是连续分布的，我们只需要使用适当的地址偏移量，我们就可以获得整个内存对象的布局。

本篇文章中的例程或内存布局主要使用如下编译器和系统：

1）Windows XP 和 VC++ 2003

2）Cygwin 和 G++ 3.4.4

单一的一般继承

下面，我们假设有如下所示的一个继承关系：

注意：在这个继承关系中，父类，子类，孙子类都有自己的一个成员变量。而子类覆盖了父类的f()方法，孙子类覆盖子类的g_child()及其超类的f()。

我们的源程序如下所示：

class Parent {
public:
    int iparent;
    Parent ():iparent (10) {}
    virtual void f() { cout << " Parent::f()" << endl; }
    virtual void g() { cout << " Parent::g()" << endl; }
    virtual void h() { cout << " Parent::h()" << endl; }
 
};
 
class Child : public Parent {
public:
    int ichild;
    Child():ichild(100) {}
    virtual void f() { cout << "Child::f()" << endl; }
    virtual void g_child() { cout << "Child::g_child()" << endl; }
    virtual void h_child() { cout << "Child::h_child()" << endl; }
};
 
class GrandChild : public Child{
public:
    int igrandchild;
    GrandChild():igrandchild(1000) {}
    virtual void f() { cout << "GrandChild::f()" << endl; }
    virtual void g_child() { cout << "GrandChild::g_child()" << endl; }
    virtual void h_grandchild() { cout << "GrandChild::h_grandchild()" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);

GrandChild gc;

int** pVtab = (int**)&gc;

cout << "[0] GrandChild::_vptr->" << endl;
for (int i=0; (Fun)pVtab[0][i]!=NULL; i++){
    pFun = (Fun)pVtab[0][i];
    cout << "    ["<<i<<"] ";
    pFun();
}
cout << "[1] Parent.iparent = " << (int)pVtab[1] << endl;
cout << "[2] Child.ichild = " << (int)pVtab[2] << endl;
cout << "[3] GrandChild.igrandchild = " << (int)pVtab[3] << endl;

[0] GrandChild::_vptr->

    [0] GrandChild::f()

    [1] Parent::g()

    [2] Parent::h()

    [3] GrandChild::g_child()

    [4] Child::h1()

    [5] GrandChild::h_grandchild()

[1] Parent.iparent = 10

[2] Child.ichild = 100

[3] GrandChild.igrandchild = 1000

可见以下几个方面：

1）虚函数表在最前面的位置。

2）成员变量根据其继承和声明顺序依次放在后面。

3）在单一的继承中，被overwrite的虚函数在虚函数表中得到了更新。

多重继承

下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类只overwrite了父类的f()函数，而还有一个是自己的函数（我们这样做的目的是为了用g1()作为一个标记来标明子类的虚函数表）。而且每个类中都有一个自己的成员变量：

我们的类继承的源代码如下所示：父类的成员初始为10，20，30，子类的为100

class Base1 {
public:
    int ibase1;
    Base1():ibase1(10) {}
    virtual void f() { cout << "Base1::f()" << endl; }
    virtual void g() { cout << "Base1::g()" << endl; }
    virtual void h() { cout << "Base1::h()" << endl; }
    
};

class Base2 {
public:
    int ibase2;
    Base2():ibase2(20) {}
    virtual void f() { cout << "Base2::f()" << endl; }
    virtual void g() { cout << "Base2::g()" << endl; }
    virtual void h() { cout << "Base2::h()" << endl; }
};

class Base3 {
public:
    int ibase3;
    Base3():ibase3(30) {}
    virtual void f() { cout << "Base3::f()" << endl; }
    virtual void g() { cout << "Base3::g()" << endl; }
    virtual void h() { cout << "Base3::h()" << endl; }
};


class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
    int iderive;
    Derive():iderive(100) {}
    virtual void f() { cout << "Derive::f()" << endl; }
    virtual void g1() { cout << "Derive::g1()" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);

Derive d;

int** pVtab = (int**)&d;

cout << "[0] Base1::_vptr->" << endl;
pFun = (Fun)pVtab[0][0];
cout << "     [0] ";
pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][1];
cout << "     [1] ";pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][2];
cout << "     [2] ";pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][3];
cout << "     [3] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[0][4];
cout << "     [4] "; cout<<pFun<<endl;

cout << "[1] Base1.ibase1 = " << (int)pVtab[1] << endl;


int s = sizeof(Base1)/4;

cout << "[" << s << "] Base2::_vptr->"<<endl;
pFun = (Fun)pVtab[s][0];
cout << "     [0] "; pFun();

Fun = (Fun)pVtab[s][1];
cout << "     [1] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][2];
cout << "     [2] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][3];
out << "     [3] ";
cout<<pFun<<endl;

cout << "["<< s+1 <<"] Base2.ibase2 = " << (int)pVtab[s+1] << endl;

s = s + sizeof(Base2)/4;

cout << "[" << s << "] Base3::_vptr->"<<endl;
pFun = (Fun)pVtab[s][0];
cout << "     [0] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][1];
cout << "     [1] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][2];
cout << "     [2] "; pFun();

pFun = (Fun)pVtab[s][3];
cout << "     [3] ";
cout<<pFun<<endl;

s++;
cout << "["<< s <<"] Base3.ibase3 = " << (int)pVtab[s] << endl;
s++;
cout << "["<< s <<"] Derive.iderive = " << (int)pVtab[s] << endl;

[0] Base1::_vptr->

     [0] Derive::f()

     [1] Base1::g()

     [2] Base1::h()

     [3] Driver::g1()

     [4] 00000000      ç 注意：在GCC下，这里是1

[1] Base1.ibase1 = 10

[2] Base2::_vptr->

     [0] Derive::f()

     [1] Base2::g()

     [2] Base2::h()

     [3] 00000000      ç 注意：在GCC下，这里是1

[3] Base2.ibase2 = 20

[4] Base3::_vptr->

     [0] Derive::f()

     [1] Base3::g()

     [2] Base3::h()

     [3] 00000000

[5] Base3.ibase3 = 30

[6] Derive.iderive = 100

我们可以看到：

1）  每个父类都有自己的虚表。

2）  子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。

3）  内存布局中，其父类布局依次按声明顺序排列。

4）  每个父类的虚表中的f()函数都被overwrite成了子类的f()。解决了不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。

重复继承

下面我们再来看看，发生重复继承的情况。所谓重复继承，也就是某个基类被间接地重复继承了多次。

下图是一个继承图，我们重载了父类的f()函数。

其类继承的源代码如下所示。其中，每个类都有两个变量，一个是整形（4字节），一个是字符（1字节），而且还有自己的虚函数，自己overwrite父类的虚函数。如子类D中，f()覆盖了超类的函数， f1() 和f2() 覆盖了其父类的虚函数，Df()为自己的虚函数。

class B
{
public:
    int ib;
    char cb;
public:
    B():ib(0),cb('B') {}
    
    virtual void f() { cout << "B::f()" << endl;}
    virtual void Bf() { cout << "B::Bf()" << endl;}
};
class B1 :  public B
{
public:
    int ib1;
    char cb1;
public:
    B1():ib1(11),cb1('1') {}
    
    virtual void f() { cout << "B1::f()" << endl;}
    virtual void f1() { cout << "B1::f1()" << endl;}
    virtual void Bf1() { cout << "B1::Bf1()" << endl;}
    
};
class B2:  public B
{
public:
    int ib2;
    char cb2;
public:
    B2():ib2(12),cb2('2') {}
    
    virtual void f() { cout << "B2::f()" << endl;}
    virtual void f2() { cout << "B2::f2()" << endl;}
    virtual void Bf2() { cout << "B2::Bf2()" << endl;}
    
};

class D : public B1, public B2
{
public:
    int id;
    char cd;
public:
    D():id(100),cd('D') {}
    
    virtual void f() { cout << "D::f()" << endl;}
    virtual void f1() { cout << "D::f1()" << endl;}
    virtual void f2() { cout << "D::f2()" << endl;}
    virtual void Df() { cout << "D::Df()" << endl;}
    
};

typedef void(*Fun)(void);
int** pVtab = NULL;
Fun pFun = NULL;

D d;
pVtab = (int**)&d;
cout << "[0] D::B1::_vptr->" << endl;
pFun = (Fun)pVtab[0][0];
cout << "     [0] ";    pFun();
pFun = (Fun)pVtab[0][1];
cout << "     [1] ";    pFun();
pFun = (Fun)pVtab[0][2];
cout << "     [2] ";    pFun();
pFun = (Fun)pVtab[0][3];
cout << "     [3] ";    pFun();
pFun = (Fun)pVtab[0][4];
cout << "     [4] ";    pFun();
pFun = (Fun)pVtab[0][5];
cout << "     [5] 0x" << pFun << endl;

cout << "[1] B::ib = " << (int)pVtab[1] << endl;
cout << "[2] B::cb = " << (char)pVtab[2] << endl;
cout << "[3] B1::ib1 = " << (int)pVtab[3] << endl;
cout << "[4] B1::cb1 = " << (char)pVtab[4] << endl;

cout << "[5] D::B2::_vptr->" << endl;
pFun = (Fun)pVtab[5][0];
cout << "     [0] ";    pFun();
pFun = (Fun)pVtab[5][1];
cout << "     [1] ";    pFun();
pFun = (Fun)pVtab[5][2];
cout << "     [2] ";    pFun();
pFun = (Fun)pVtab[5][3];
cout << "     [3] ";    pFun();
pFun = (Fun)pVtab[5][4];
cout << "     [4] 0x" << pFun << endl;

cout << "[6] B::ib = " << (int)pVtab[6] << endl;
cout << "[7] B::cb = " << (char)pVtab[7] << endl;   
cout << "[8] B2::ib2 = " << (int)pVtab[8] << endl;
cout << "[9] B2::cb2 = " << (char)pVtab[9] << endl;

cout << "[10] D::id = " << (int)pVtab[10] << endl;
cout << "[11] D::cd = " << (char)pVtab[11] << endl;

程序运行结果如下：

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

我们可以看见，最顶端的父类B其成员变量存在于B1和B2中，并被D给继承下去了。而在D中，其有B1和B2的实例，于是B的成员在D的实例中存在两份，一份是B1继承而来的，另一份是B2继承而来的。所以，如果我们使用以下语句，则会产生二义性编译错误： 

D d;

d.ib = 0;               //二义性错误

d.B1::ib = 1;           //正确

d.B2::ib = 2;           //正确

注意，上面例程中的最后两条语句存取的是两个变量。虽然我们消除了二义性的编译错误，但B类在D中还是有两个实例，这种继承造成了数据的重复，我们叫这种继承为重复继承。重复的基类数据成员可能并不是我们想要的。所以，C++引入了虚基类的概念。

钻石型多重虚拟继承

虚拟继承的出现就是为了解决重复继承中多个间接父类的问题的。钻石型的结构是其最经典的结构。也是我们在这里要讨论的结构：

上述的“重复继承”只需要把B1和B2继承B的语法中加上virtual 关键，就成了虚拟继承，其继承图如下所示：

class B {……};
class B1 : virtual public B{……};
class B2: virtual public B{……};
class D : public B1, public B2{ …… };

int** pVtab = NULL;
Fun pFun = NULL;

B1 bb1;

pVtab = (int**)&bb1;
cout << "[0] B1::_vptr->" << endl;
pFun = (Fun)pVtab[0][0];
cout << "     [0] ";
pFun(); //B1::f1();
cout << "     [1] ";
pFun = (Fun)pVtab[0][1];
pFun(); //B1::bf1();
cout << "     [2] ";
cout << pVtab[0][2] << endl;

cout << "[1] = 0x";
cout << (int*)*((int*)(&bb1)+1) <<endl; //B1::ib1
cout << "[2] B1::ib1 = ";
cout << (int)*((int*)(&bb1)+2) <<endl; //B1::ib1
cout << "[3] B1::cb1 = ";
cout << (char)*((int*)(&bb1)+3) << endl; //B1::cb1

cout << "[4] = 0x";
cout << (int*)*((int*)(&bb1)+4) << endl; //NULL

cout << "[5] B::_vptr->" << endl;
pFun = (Fun)pVtab[5][0];
cout << "     [0] ";
pFun(); //B1::f();
pFun = (Fun)pVtab[5][1];
cout << "     [1] ";
pFun(); //B::Bf();
cout << "     [2] ";
cout << "0x" << (Fun)pVtab[5][2] << endl;

cout << "[6] B::ib = ";
cout << (int)*((int*)(&bb1)+6) <<endl; //B::ib
cout << "[7] B::cb = ";

其运行结果如下（我结出了GCC的和VC++2003的对比）：

这里，大家可以自己对比一下。关于细节上，我会在后面一并再说。

下面的测试程序是看子类D的内存布局，同样是VC++ 2003的（因为VC++和GCC的内存布局上有一些细节上的不同，而VC++的相对要清楚很多，所以这里只给出VC++的程序，GCC下的程序大家可以根据我给出的程序自己仿照着写一个去试一试）：

D d;

pVtab = (int**)&d;
cout << "[0] D::B1::_vptr->" << endl;
pFun = (Fun)pVtab[0][0];
cout << "     [0] ";    pFun(); //D::f1();
pFun = (Fun)pVtab[0][1];
cout << "     [1] ";    pFun(); //B1::Bf1();
pFun = (Fun)pVtab[0][2];
cout << "     [2] ";    pFun(); //D::Df();
pFun = (Fun)pVtab[0][3];
cout << "     [3] ";
cout << pFun << endl;

//cout << pVtab[4][2] << endl;
cout << "[1] = 0x";
cout <<  (int*)((&dd)+1) <<endl; //????

cout << "[2] B1::ib1 = ";
cout << *((int*)(&dd)+2) <<endl; //B1::ib1
cout << "[3] B1::cb1 = ";
cout << (char)*((int*)(&dd)+3) << endl; //B1::cb1

//---------------------
cout << "[4] D::B2::_vptr->" << endl;
pFun = (Fun)pVtab[4][0];
cout << "     [0] ";    pFun(); //D::f2();
pFun = (Fun)pVtab[4][1];
cout << "     [1] ";    pFun(); //B2::Bf2();
pFun = (Fun)pVtab[4][2];
cout << "     [2] ";
cout << pFun << endl;

cout << "[5] = 0x";
cout << *((int*)(&dd)+5) << endl; // ???

cout << "[6] B2::ib2 = ";
cout << (int)*((int*)(&dd)+6) <<endl; //B2::ib2
cout << "[7] B2::cb2 = ";
cout << (char)*((int*)(&dd)+7) << endl; //B2::cb2

cout << "[8] D::id = ";
cout << *((int*)(&dd)+8) << endl; //D::id
cout << "[9] D::cd = ";
cout << (char)*((int*)(&dd)+9) << endl;//D::cd

cout << "[10]  = 0x";
cout << (int*)*((int*)(&dd)+10) << endl;
//---------------------
cout << "[11] D::B::_vptr->" << endl;
pFun = (Fun)pVtab[11][0];
cout << "     [0] ";    pFun(); //D::f();
pFun = (Fun)pVtab[11][1];
cout << "     [1] ";    pFun(); //B::Bf();
pFun = (Fun)pVtab[11][2];
cout << "     [2] ";
cout << pFun << endl;

cout << "[12] B::ib = ";
cout << *((int*)(&dd)+12) << endl; //B::ib
cout << "[13] B::cb = ";
cout << (char)*((int*)(&dd)+13) <<endl;//B::cb

下面给出运行后的结果（分VC++和GCC两部份）

关于虚拟继承的运行结果我就不画图了（前面的作图已经让我产生了很严重的厌倦感，所以就偷个懒了，大家见谅了）

在上面的输出结果中，我用不同的颜色做了一些标明。我们可以看到如下的几点：

1）无论是GCC还是VC++，除了一些细节上的不同，其大体上的对象布局是一样的。也就是说，先是B1（黄色），然后是B2（绿色），接着是D（灰色），而B这个超类（青蓝色）的实例都放在最后的位置。

2）关于虚函数表，尤其是第一个虚表，GCC和VC++有很重大的不一样。但仔细看下来，还是VC++的虚表比较清晰和有逻辑性。

3）VC++和GCC都把B这个超类放到了最后，而VC++有一个NULL分隔符把B和B1和B2的布局分开。GCC则没有。

4）VC++中的内存布局有两个地址我有些不是很明白，在其中我用红色标出了。取其内容是-4。接道理来说，这个指针应该是指向B类实例的内存地址（这个做法就是为了保证重复的父类只有一个实例的技术）。但取值后却不是。这点我目前还并不太清楚，还向大家请教。

5）GCC的内存布局中在B1和B2中则没有指向B的指针。这点可以理解，编译器可以通过计算B1和B2的size而得出B的偏移量。