鑽石型繼承模型的記憶體分佈
轉自：點選開啟連結 和點選開啟連結 並更正一個小錯誤以及增加了自己的一些理解
關於C++物件記憶體佈局的資料和書籍也有很多，比如陳皓老師的部落格：
白楊：
左手為你畫猜：
關於講解C++物件記憶體模型最好的書應該是侯捷老師翻譯的《深度探索C++物件記憶體模型》。
這兩天在看其他書籍時，對C++中虛擬繼承的實現機制不太理解，於是又重新翻回《深度探索C++物件記憶體模型》一書，並結合
一、重複繼承
所謂重複繼承，即某個基類被間接地重複繼承了多次。為方便對比說明，下面的程式碼採用了陳皓老師部落格中C++類例子。
UML類圖如下：
類繼承的原始碼如下，直接採用C++物件的記憶體佈局（下）中的例子，相關解釋已在原部落格中詳細說明，故在此不再贅述：
1 #include <iostream> 2 using namespace std; 3 4 classB 5 { 6 public: 7 int ib; 8 char cb; 9 public: 10 B():ib(0),cb('B') 11 {} 12 virtual void f() 13 { 14 cout<<"B::f()"<<endl; 15 } 16 virtual void Bf() 17 { 18 cout<<"B::Bf()"<<endl; 19 } 20 }; 21 22 class B1:public B23 { 24 public: 25 int ib1; 26 char cb1; 27 public: 28 B1():ib1(01),cb1('1'){} 29 30 virtual void f() 31 { 32 cout<<"B1::f()"<<endl; 33 } 34 virtual void f1() 35 { 36 cout<<"B1::f1()"<<endl; 37 } 38 virtual void Bf1() 39 { 40 cout<<"B1::Bf1()"<<endl; 41 } 42 }; 43 44 class B2:public B 45 { 46 public: 47 int ib2; 48 char cb2; 49 public: 50 B2():ib2(10),cb2('2'){} 51 virtual void f() 52 { 53 cout<<"B2::f()"<<endl; 54 } 55 virtual void f2() 56 { 57 cout<<"B2::f2()"<<endl; 58 } 59 virtual void Bf2() 60 { 61 cout<<"B2::Bf2()"<<endl; 62 } 63 }; 64 65 class D: public B1, public B2 66 { 67 public: 68 int id; 69 char cd; 70 public: 71 D():id(100),cd('D'){} 72 73 virtual void f() 74 { 75 cout<<"D::f()"<<endl; 76 } 77 virtual void f1() 78 { 79 cout<<"D::f1()"<<endl; 80 } 81 virtual void f2() 82 { 83 cout<<"D::f2()"<<endl; 84 } 85 virtual void Df() 86 { 87 cout<<"D::Df()"<<endl; 88 } 89 90 }; 91 int main(int argc, char *argv[]) 92 { 93 D d; 94 system("pause"); 95 return 0; 96 }
在陳皓老師部落格中，直接利用函式指標呼叫C++物件起始位置處虛擬函式表指標指向的虛擬函式表中的虛擬函式，以檢視C++物件的記憶體模型。下面我們主要採用Visual Studio 2010 和 Visual C++下的“cl”編譯器檢視C++物件記憶體模型。
在Visual Studio 2010 IDE開發環境中，我們檢視派生類D物件的記憶體模型。如下圖所示：
從上兩圖我們可以基本看出：
1、派生類D物件d的記憶體佈局中，由其基類依次組裝而成，再加上派生類自己的成員變數。
2、其中基類佈局依次按照在派生類中的宣告順序排列。
3、每個基類都有自己的虛擬函式表，指向虛擬函式表的指標_vfptr放置在最前面的位置。
為了再進一步瞭解重複繼承中的C++物件記憶體模型，我們採用Visual C++下的“cl”編譯器進行檢視。
在“Microsoft Visual C++”的編譯環境中，我們可以利用編譯器“cl”、連結器“link”、可執行檔案檢視器“dumpbin”來檢視Windows下可執行檔案（COFF格式）的變數、函式怎麼儲存。
“cl”即Visual C++ 的編譯器，即“Compiler”的縮寫。在Visual Studio 2010安裝完後，會有一個批處理檔案用來建立執行這些工具所需要的環境。它位於開始/程式/Microsoft Visual Studio 2010/Visual Studio Tools/Viusual Studio 2010 Command Prompt,這樣我們就可以利用命令列使用VC++的編譯器了。
在“cl”編譯器中有個編譯選項可以檢視C++類的記憶體佈局，使用如下：開啟Visual Studio的命令列提示符即Viusual Studio 2010 Command Prompt，按如下格式輸入：
>cl [.cpp] /d1reportSingleClassLayout[classname]
d1reportSingleClassLayout可以檢視原始檔中所有類及結構體的記憶體佈局，classname為類名，/d1reportSingleClassLayout[classname]之間沒有空格。使用如下圖所示：
使用cl編譯器檢視重複繼承中的C++物件記憶體模型結果如下圖所示：
從上圖可以看出，編譯器在實現時使用了位元組對齊（Alignment），以實現在物件記憶體中存取更有效率。位元組對齊就是將數值調整到某數的整數倍，在32位計算機中，通常Alignment為4bytes，以使bus的“運輸量”達到最高效率。
可以看出，派生類D物件在記憶體中佔有44個位元組。
重複繼承中的C++物件內部模型用圖片表示如下：
其中第一個vfptr指向的虛表是B1和D共享的，因此其中的函式介面應該覆蓋了B1和D，而第二個則只有B2的虛表。
從圖中可以看出，在派生類D中，存在著兩份基類B的成員例項，分別為ib和cb，所以在C++物件的記憶體佈局（下）指出這樣可能會出現二義性編譯錯誤。我們可以指定類作用域符::進行限定來消除二義性，也可以在語言層面利用虛擬繼承機制來解決。
二、鑽石型多重虛擬繼承
在《深度探索C++物件模型》中提到：一個virtual base class subobject只會在derived class中存在一份實體，不管它在class繼承體系中出現多少次！
因此，虛擬繼承的就是為了解決重複繼承中多個間接父類的問題。鑽石型的結構就是最經典的虛擬多重繼承結構。
UML類圖如下：
如上圖，讓B1和B2各自維護的一個B子物件，摺疊成一個由D維護的單一的B子物件，並且還可以儲存基類和派生類的指標之間的多型指定操作，這對於編譯器實現來說，難度非常高。《深度探索C++物件模型》提到一般的實現方法如下所述：將D物件分割為兩部分，一個不變區域性和一個共享區域性。不變區域性中的資料，不管後繼如何衍化，總是擁有固定的偏移量，所以這一部分資料可以被直接存取，至於共享區域性，所表現的就是虛擬繼承的基類子物件，這一部分的資料，其位置會因為每次的派生操作而有變化，所以它們是間接存取。
所以，一般的佈局策略是安排好派生類物件的不變部分，然後再建立其共享部分。在接下來的分析可以看出，VC++編譯器實現中，在每一個派生類物件中插入一些指標vbptr，每個指標指向一個虛擬繼承的基類子物件。要存取繼承得來的基類子物件，可以使用相關指標間接完成。
要實現虛擬繼承，我們只需要在B1和B2繼承B的語法中加入virtual關鍵字即可。實現程式碼如下：
View Code
使用cl編譯器檢視鑽石型虛擬重複繼承中的C++物件記憶體模型結果如下圖所示：
從上圖可以看出，虛擬重複繼承中的派生類D物件在記憶體中佔有52位元組，比之前多了8個位元組。
虛擬重複繼承中的C++物件內部模型用圖片表示如下：
注意和非虛多重繼承不同的是，第一個虛表只記錄了B1（不包括B）和D的函式介面，B的函式介面在最後的基類虛表中，另外B1和B2部分各有一個vbptr。
從圖中可以看出，VC++編譯器在實現虛擬繼承時，在派生類的物件中安插了兩個vbptr指標。因此，對每個繼承自虛基類的類例項，將增加一個隱藏的“虛基類表指標”（vbptr）成員變數，從而達到間接計算虛基類位置的目的。該變數指向一個全類共享的偏移量表，表中專案記錄了對於該類而言，“虛基類表指標”與虛基類之間的偏移量。由上可以看出，B1虛基類表指標vbptr與虛基類B之間的偏移量是40位元組，B2虛基類表指標vbptr與虛基類B之間的偏移量是24位元組。第一項中-4的含義：表示的是vptr和vbptr的距離，如果B1中沒有虛擬函式的定義，這個地方就會是0。vbptr就是存放在vptr下面的位置。
我們注意到在虛擬繼承的C++物件記憶體佈局中，還有一個4個位元組的vtordisp欄位，vtordisp在MSDN中這樣解釋：
Enables the addition of the hidden vtordisp construction/destruction displacement member. The vtordisp pragma is applicable only to code that uses virtual bases. If a derived class overrides a virtual function that it inherits from a virtual base class, and if a constructor or destructor for the derived class calls that function using a pointer to the virtual base class, the compiler may introduce additional hidden “vtordisp” fields into classes with virtual bases.
也就是說如果虛擬繼承中派生類重寫了基類的虛擬函式，並且在建構函式或者解構函式中使用指向基類的指標呼叫了該函式，編譯器會為虛基類新增vtordisp域。
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
using namespace std;
class Point
{
public:
Point(int x = 1, int y = 1) :_x(x), _y(y){}
virtual void print(){ cout << "This is Point. "; }
protected:
int _x, _y;
};
class Point3d :virtual public Point
{
public:
Point3d() :_z(2){}
void print(){ cout << "This is Point3d. "; }
protected:
int _z;
};
int main()
{
Point3d d;
int *p = (int *)&d;
p++;
cout << *p << endl;//輸出_z的值2
p++;
cout << *p << endl; //輸出vtordisp的值，這裡為0
p++;
cout << *p << endl; //輸出vptr的值
p++;
cout << *p << endl;//輸出_x的值 1
p++;
cout << *p << endl; //輸出_y的值1
cout << sizeof(Point3d) << endl; //大小為24
system("pause");
return 0;
}#pragma vtordisp( off )
class GetReal : virtual public { ... };
#pragma vtordisp( on )
這個程式在VC++壞境是這樣的輸出結果，通過g++編譯後， 在g++中輸出結果是不一樣的，區別在於各個類的大小。這與編譯器記錄虛擬繼承的方式有關 。 VC++通過記錄偏移量的方式來找到虛擬基類的位置。所以在類中偏移量佔據一定位元組。g++將偏移量記錄在虛擬函式表中，在虛擬函式表中偏移量為正則存放的是虛擬函式地址；偏移量為負存放的是虛擬基類的偏移量 。 所以g++上虛擬繼承下的類的大小比VC++編譯的程式要小。
即vs2010中，滿足：1. 虛繼承；2. 派生類重寫了父類虛擬函式；3. 構造/解構函式中可能呼叫基類的虛擬函式（例如有顯式定義的建構函式）
鑽石繼承模型中的vtordisp域 在鑽石繼承模型中，vtordisp只會出現一次，即在基類部分的頂部。例如有如下程式碼：
class B
{
public:
virtual void fooB(){}
virtual void funcB(){}
int mB=0;
};
class B1 :public virtual B
{
public:
B1() :mB1(1){}
void fooB(){}
virtual void fooB1(){}
int mB1;
};
class B2 :public virtual B
{
public:
B2() :mB2(2){}
void funcB(){}
virtual void fooB2(){}
int mB2;
};
class D :public B1, B2
{
D() :mD(3){ }
virtual void fooD(){}
int mD;
};若將其中派生類的重寫或者建構函式全部註釋掉，則會出現如下情況，vtordisp域不再生成。
注意：vtordisp域的生成只看派生類（包括D）是否對虛基類（B）的虛擬函式有重寫，並且有顯式構造/解構函式（可能呼叫虛擬函式）,例如如下程式碼：
class B
{
public:
virtual void fooB(){}
virtual void funcB(){}
int mB=0;
};
class B1 :public virtual B
{
public:
//B1() :mB1(1){}
void fooB(){}
virtual void fooB1(){}
int mB1;
};
class B2 :public virtual B
{
public:
//B2() :mB2(2){}
void funcB(){}
virtual void fooB2(){}
int mB2;
};
class D :public B1, B2
{
D() :mD(3){ }
void fooB(){}
virtual void fooD(){}
int mD;
};