C++對(duì)象模型在內(nèi)存中的實(shí)現(xiàn)

1、C+對(duì)象模型在內(nèi)存中的實(shí)現(xiàn) -基于微軟VC+分析（Visual Studio 2010）jhanker（蔣李軍） jhanker 2016-04-26相關(guān)C+對(duì)象模型深入了解的文章在互聯(lián)網(wǎng)上有很多版本。要么排版不清晰，要么缺少圖示，嚴(yán)重的影響閱讀效果！現(xiàn)對(duì)每一段代碼的圖示都增加了VC+2010環(huán)境下編譯器輸出的類的對(duì)象模型圖（文中黑色背景的圖），通過對(duì)網(wǎng)上一些有用的相關(guān)資料的整合，讓讀者能更加直觀理解其本質(zhì)。本文的篇幅較長(zhǎng)，但還是希望您能慢慢的品讀，如果有不理解的地方可以先看后面的附錄，閱讀的過程中可以邊閱讀邊調(diào)試附錄中的調(diào)試代碼，相信通過仔細(xì)的調(diào)試，分析，理解，您將會(huì)對(duì)C+有更深層次的理解！

2、 一個(gè)C+程序員，想要進(jìn)一步提升技術(shù)水平的話，應(yīng)該多了解一些語言的細(xì)節(jié)。對(duì)于使用VC+的程序員來說，還應(yīng)該了解一些VC+對(duì)于C+的詮釋。本文是深入理解C+對(duì)象模型比較好的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)。了解你所使用的編程語言究竟是如何實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于C+程序員可能特別有意義。首先，它可以去除我們對(duì)于所使用語言的神秘感，使我們不至于對(duì)于編譯器干的活感到完全不可思議；尤其重要的是，它使我們?cè)贒ebug和使用語言高級(jí)特性的時(shí)候，有更多的把握。當(dāng)需要提高代碼效率的時(shí)候，這些知識(shí)也能夠很好地幫助我們。 對(duì)每個(gè)語言特性，我們將簡(jiǎn)要介紹該特性背后的動(dòng)機(jī)，當(dāng)然，本文決不是“C+入門”，大家對(duì)此要有充分認(rèn)識(shí)，以及該特性在微軟的 VC+

3、中是如何實(shí)現(xiàn)的。這里要注意區(qū)分抽象的C+語言與其特定實(shí)現(xiàn)。微軟之外的其他C+廠商可能提供一個(gè)完全不同的實(shí)現(xiàn)，我們偶爾也會(huì)將 VC+的實(shí)現(xiàn)與其他實(shí)現(xiàn)進(jìn)行比較。 首先，我們順次考察類，單繼承，多重繼承，以及虛繼承的布局； 接著，我們講成員變量和成員函數(shù)的訪問已經(jīng)訪問時(shí)的開銷情況，當(dāng)然，這里面包含虛函數(shù)的情況；再接下來，我們考察構(gòu)造函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)，以及特殊的賦值操作符成員函數(shù)是如何工作的，數(shù)組是如何動(dòng)態(tài)構(gòu)造和銷毀的；最后，簡(jiǎn)單地介紹對(duì)異常處理的支持。 1、類（class）布局 本節(jié)討論不同的繼承方式造成的不同內(nèi)存布局。 1.1 類的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 由于C+基于C，所以C+也“基本上”兼容C。特別地，C+規(guī)

4、范在“類”上使用了和C“結(jié)構(gòu)”相同的，簡(jiǎn)單的內(nèi)存布局原則：成員變量按其被聲明的順序排列，按具體實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的對(duì)齊原則在內(nèi)存地址上對(duì)齊。所有的C/C+廠商都保證他們的C/C+編譯器對(duì)于有效的C結(jié)構(gòu)采用完全相同的布局。這里，A是一個(gè)簡(jiǎn)單的類，其成員布局和對(duì)齊方式都一目了然1 class A 2 public:3 char c;4 int i;5 ;（圖1）從上圖(左)可見，A在內(nèi)存中占有8個(gè)字節(jié)，按照聲明成員的順序，前4個(gè)字節(jié)包含一個(gè)字符（實(shí)際占用1個(gè)字節(jié)，3個(gè)字節(jié)空著，補(bǔ)對(duì)齊），后4個(gè)字節(jié)包含一個(gè)整數(shù)。A的指針就指向字符開始字節(jié)處。上圖(右)為Visual

5、Studio 2010 編譯后在輸出窗口中顯示的內(nèi)存分布情況。(項(xiàng)目屬性配置屬性C/C+命令行其他選項(xiàng)中添加選項(xiàng)“/d1reportAllClassLayout”。再次編譯時(shí)候，編譯器會(huì)輸出所有定義類的對(duì)象模型。由于輸出的信息過多，我們可以使用“Ctrl+F”查找命令，找到對(duì)象模型的輸出。)需要說明的是右圖的 0 ,4 是相對(duì)字符開始地址的偏移地址。當(dāng)然了，C+不是復(fù)雜的C，C+本質(zhì)上是面向?qū)ο蟮恼Z言：包含 繼承、封裝，以及多態(tài) 。原始的C結(jié)構(gòu)經(jīng)過改造，成了面向?qū)ο笫澜绲幕?。除了成員變量外，C+類還可以封裝成員函數(shù)和其他東西。然而，有趣的是，除非為了實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)和虛繼承引入的隱藏成員變量外，

6、C+類實(shí)例的大小完全取決于一個(gè)類及其基類的成員變量！成員函數(shù)基本上不影響類實(shí)例的大小。這里提供的B是有更多C+特征的類：控制成員可見性的“public/protected/private”關(guān)鍵字、成員函數(shù)、靜態(tài)成員，以及嵌套的類型聲明。雖然看著琳瑯滿目，實(shí)際上，只有成員變量才占用類實(shí)例的空間。有一點(diǎn)要注意的是，C+標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)不限制由“public/protected/private”關(guān)鍵字分開的各段在實(shí)現(xiàn)時(shí)的先后順序，因此，不同的編譯器實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局可能并不相同。（ 在VC+中，成員變量總是按照聲明時(shí)的順序排列）。1 class B 2 public:  

7、;3  int bm1;  4protected:  5 int bm2;  6private:  7 int bm3;  8 static int bsm;  9 void bf();  10 static void bsf();  11 typedef  void*

8、  bpv;  12 struct N    13;struct B public: int bm1;protected: int bm2;private: int bm3; static int bsm; void bf(); static void bsf(); typedef void* bpv; struct N ;  （圖2） B中，為何static int bsm不占用內(nèi)存空間？因?yàn)樗庆o態(tài)成員，該數(shù)據(jù)存放在程序的靜態(tài)數(shù)據(jù)段中，不在類實(shí)例中。（相關(guān)內(nèi)存區(qū)域劃分知識(shí)，見附1.） 1.2

9、 單繼承 C+ 提供繼承的目的是在不同的類型之間提取共性。比如，科學(xué)家對(duì)物種進(jìn)行分類，從而有種、屬、綱等說法。有了這種層次結(jié)構(gòu)，我們才可能將某些具備特定性質(zhì)的東西歸入到最合適的分類層次上，如“懷孩子的是哺乳動(dòng)物”。由于這些屬性可以被子類繼承，所以，我們只要知道“鯨魚、人”是哺乳動(dòng)物，就可以方便地指出“鯨魚、人都可以懷孩子”。那些特例，如鴨嘴獸（生蛋的哺乳動(dòng)物），則要求我們對(duì)缺省的屬性或行為進(jìn)行覆蓋。C+中的繼承語法很簡(jiǎn)單，在子類后加上“: public基類名（base）”就可以了。（附2. C+之繼承與派生）下面的D繼承自基類C。(本文全部的調(diào)試代碼見附4.) 1 class C&#

10、160;   /類C2 public:  3int c1;   /類C的成員變量4void cf();   /類C的成員函數(shù)5;  struct C int c1; void cf();  （圖3）1 class D :  public C  /類D，繼承類C  2 public:  3int d1;  /類D的成員變量 4void df(); &

11、#160;/類D的成員函數(shù) 5;  struct D : C int d1; void df();  （圖4） 既然派生類要保留基類的所有屬性和行為，自然地，每個(gè)派生類的實(shí)例都包含了一份完整的基類實(shí)例數(shù)據(jù)。在D中，并不是說基類C的數(shù)據(jù)一定要放在D的數(shù)據(jù)之前，只不過這樣放的話，能夠保證D中的C對(duì)象地址，恰好是D對(duì)象地址的第一個(gè)字節(jié)。這種安排之下，有了派生類D的指針，要獲得基類C的指針，就不必要計(jì)算偏移量了。幾乎所有知名的C+廠商都采用這種內(nèi)存安排（基類成員在前）。在單繼承類層次下，每一個(gè)新的派生類都簡(jiǎn)單地把自己的成員變量添加到基類的成員變量之后 ?？纯瓷蠄D

12、，C對(duì)象指針和D對(duì)象指針指向同一地址。 ( 上圖(右)base class C, class D 的框架結(jié)構(gòu)的起始的上邊界“+-”重合形象的說明C對(duì)象指針和D對(duì)象指針指向同一地址)1.3 多重繼承 大多數(shù)情況下，其實(shí)單繼承就足夠了。但是，C+為了我們的方便，還提供了多重繼承。 比如，我們有一個(gè)組織模型，其中有經(jīng)理類（分任務(wù)），工人類（干活）。那么，對(duì)于一線經(jīng)理類，即既要從上級(jí)經(jīng)理那里領(lǐng)取任務(wù)干活，又要向下級(jí)工人分任務(wù)，這樣的角色，如何在類層次中表達(dá)呢？單繼承在此就有點(diǎn)力不從心。我們可以安排經(jīng)理類先繼承工人類，一線經(jīng)理類再繼承經(jīng)理類，但這種層次結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤地讓經(jīng)理類繼承了工人類的屬性和行為。反之亦然

13、。當(dāng)然，一線經(jīng)理類也可以僅僅從一個(gè)類（經(jīng)理類或工人類）繼承，或者一個(gè)都不繼承，重新聲明一個(gè)或兩個(gè)接口（函數(shù)），但這樣的實(shí)現(xiàn)弊處太多：多態(tài)不可能了-未能重用現(xiàn)有的接口（函數(shù)）；最嚴(yán)重的是，當(dāng)接口（函數(shù)）變化時(shí)，必須多處維護(hù)。最合理的情況似乎是一線經(jīng)理從兩個(gè)地方繼承屬性和行為經(jīng)理類、工人類。C+就允許用多重繼承來解決這樣的問題： 1class Manager .  .    /經(jīng)理類2class Worker .  .    /工人類3class M

14、iddleManager : Manager, Worker  .   /一線經(jīng)理類struct Manager . . ;struct Worker . . ;struct MiddleManager : Manager, Worker . ;  這樣的繼承將造成怎樣的類布局呢？下面我們還是用“字母”類來舉例： 1 class E   2 public:   3int e1;   4void ef();

15、  5;  （圖5）struct E int e1; void ef();1 class F : public C, public E   2 public:   3int f1;   4void ff();   5;  （圖6）struct F : C, E int f1; void ff(); 類F從C和E多重繼承得來。與單繼承相同的是，F(xiàn)實(shí)例拷貝了每個(gè)基類的所有數(shù)據(jù)。與單繼承不同的

16、是，在多重繼承下，內(nèi)嵌的兩個(gè)基類的對(duì)象指針不可能全都與派生類對(duì)象指針相同：1F f;   2/ (void*)&f = (void*)(C*)&f;   /說明C對(duì)象指針與F對(duì)象指針相同3/ (void*)&f < (void*)(E*)&f;  /說明E對(duì)象指針與F對(duì)象指針不同4 /且基類E的地址比子類F的地址數(shù)值大F f;/ (void*)&f = (void*)(C*)&f;/ (void*)&f

17、< (void*)(E*)&f;  觀察類布局，可以看到F中內(nèi)嵌的E對(duì)象，其指針與F指針并不相同。正如后文討論強(qiáng)制轉(zhuǎn)化和成員函數(shù)時(shí)指出的，這個(gè)偏移量會(huì)造成少量的調(diào)用開銷。具體的編譯器實(shí)現(xiàn)可以自由地選擇內(nèi)嵌基類和派生類的布局。VC+ 按照基類的聲明順序先排列基類實(shí)例數(shù)據(jù)，最后才排列派生類數(shù)據(jù)。 當(dāng)然，派生類數(shù)據(jù)本身也是按照聲明順序布局的（本規(guī)則并非一成不變，現(xiàn)在你可以不要在腦海中糾結(jié)排序的問題，因?yàn)殚喿x到后文我們會(huì)看到，當(dāng)一些基類有虛函數(shù)而另一些基類沒有時(shí)，內(nèi)存布局并非如此）。 1.4 虛繼承 回到我們討論的一線經(jīng)理類例子。讓我們考慮這種情況：如果經(jīng)理類和工人類都繼承自“

18、雇員類”，將會(huì)發(fā)生什么？1class Employee  .    /雇員類2class Manager : public Employee  .    /經(jīng)理類3class Worker : public Employee  .    /工人類4class MiddleManager : public Manager, public W

19、orker  .  /一線經(jīng)理類 struct Employee . ;struct Manager : Employee . ;struct Worker : Employee . ;struct MiddleManager : Manager, Worker . ;  如果經(jīng)理類和工人類都繼承自雇員類，很自然地，它們每個(gè)類都會(huì)從雇員類獲得一份數(shù)據(jù)拷貝。如果不作特殊處理，一線經(jīng)理類的實(shí)例將含有兩個(gè)雇員類實(shí)例，它們分別來自兩個(gè)雇員基類 。如果雇員類成員變量不多，問題不嚴(yán)重；如果雇員類成員變量眾多，則那份多余的拷貝將造成實(shí)例生成時(shí)的嚴(yán)重

20、開銷。更糟的是，這兩份不同的雇員實(shí)例可能分別被修改，造成數(shù)據(jù)的不一致。因此，我們需要讓經(jīng)理類和工人類進(jìn)行特殊的聲明，說明它們?cè)敢夤蚕硪环莨蛦T基類實(shí)例數(shù)據(jù)。 很不幸，在C+中，這種“共享繼承”被稱為“虛繼承”，把問題搞得似乎很抽象，但不要擔(dān)心，其實(shí)虛繼承的語法很簡(jiǎn)單，在指定基類時(shí)加上virtual關(guān)鍵字即可。把上面的繼承關(guān)系改成虛繼承，代碼如下：1class Employee  .    2class Manager : virtual public Employee  .&#

21、160;   3class Worker : virtual public Employee  .    4class MiddleManager : public Manager, public Worker  .   struct Employee . ;struct Manager : virtual Employee . ;struct Worker : virtual Employee

22、. ;struct MiddleManager : Manager, Worker . ;使用虛繼承，比起單繼承和多重繼承有更大的實(shí)現(xiàn)開銷、調(diào)用開銷?；貞浺幌?，在單繼承和多重繼承的情況下，內(nèi)嵌的基類實(shí)例地址比起派生類實(shí)例地址來，要么地址相同（單繼承，以及多重繼承的最靠左基的類） ，要么地址相差一個(gè)固定偏移量（多重繼承的非最靠左的基類） 。 然而，當(dāng)虛繼承時(shí)，一般說來，派生類地址和其虛基類地址之間的偏移量是不固定的，因?yàn)槿绻@個(gè)派生類又被進(jìn)一步繼承的話，最終派生類會(huì)把共享的虛基類實(shí)例數(shù)據(jù)放到一個(gè)與上一層派生類不同的偏移量處。 請(qǐng)看下面的實(shí)例,請(qǐng)大家仔細(xì)觀察虛基類在派生類中的位置，至于其他的內(nèi)容，

23、如vbptr成員變量從何而來？什么作用？GdGvbptrG，GdGvbptrC，vbtable等是什么東東？干什么用的？為什么要有這樣的設(shè)計(jì)？暫時(shí)都不要追究，后面會(huì)詳細(xì)解釋： 1 class G : virtual public C  2 public:    3int g1;   4void gf();   5;  （圖7）struct G : virtual C int g1; void gf();與上述的G一樣

24、建立一個(gè)H，也虛繼承C，代碼和內(nèi)存分布見下圖：1 class H : virtual  public C    2 public:  3int h1;   4void hf();   5;  （圖8）接著建立一個(gè)結(jié)構(gòu)體I，多重繼承G和H，代碼和內(nèi)存分布見下圖：1 class I : public G, public H   2 public:   

25、3int i1;   4void _if();   5;  （圖9）struct I : G, H int i1; void _if();從上述圖中可以直觀地看到：在G對(duì)象中（圖7），內(nèi)嵌的C基類對(duì)象的數(shù)據(jù)緊跟在G的數(shù)據(jù)之后。在H對(duì)象中（圖8），內(nèi)嵌的C基類對(duì)象的數(shù)據(jù)也緊跟在H的數(shù)據(jù)之后，但是，在I對(duì)象中（圖9），內(nèi)存布局就并非如此了。VC+實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局中，G對(duì)象實(shí)例中G對(duì)象和C對(duì)象之間的偏移（圖7），不同于I對(duì)象實(shí)例中G對(duì)象和C對(duì)象之間的偏移（圖9）。當(dāng)我們使用指針訪問虛基類成員變量時(shí)，由于指針可以是指向派生類

26、實(shí)例的基類指針，所以，編譯器不能根據(jù)聲明的指針類型計(jì)算偏移量，而必須找到另一種從派生類指針計(jì)算虛基類位置的間接方法。在VC+ 中，解決上述問題的間接方法是對(duì)每個(gè)繼承自虛基類的類實(shí)例，增加一個(gè)隱藏的“虛基類表指針”（virtual base pointer 或virtual base table pointer）成員變量，簡(jiǎn)稱vbptr，從而達(dá)到間接計(jì)算虛基類位置的目的。該變量指向一個(gè)全類共享的偏移量表-虛基類表（virtual base table ），簡(jiǎn)稱vbtable，從圖7中可看到表中記錄了兩項(xiàng)內(nèi)容：該表的第一項(xiàng)是GdGvbptrG（ In G, the displacement of

27、Gs virtual base pointer to G 意思是：在G中，G的虛基類表指針與G對(duì)象的指針之間的偏移量 ），在32位平臺(tái)上，如圖7的Visual Studio 2010 編譯后G的內(nèi)存分布圖可知其值為0，說明G的虛基類表指針與G對(duì)象的指針之間的偏移量為0；該表的第二項(xiàng)是 GdGvbptrC（ In G, the displacement of Gs virtual base pointer to C 意思是：在G中，G的虛基類表指針與C對(duì)象的指針之間的偏移量 ），從圖中可知G的虛基類表指針與對(duì)象的指針之間的偏移量為8。同樣，在I實(shí)例中的G對(duì)象實(shí)例也有 “虛基類表指針”，不過該指針

28、指向一個(gè)適用于“G處于I之中”的虛基類表，表中一項(xiàng)為IdGvbptrC，值為20（圖9）。 除了VC+，在其它的實(shí)現(xiàn)方式中，有一種是在派生類中使用指針成員變量。這些指針成員變量指向派生類的虛基類，每個(gè)虛基類一個(gè)指針。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：獲取虛基類地址時(shí)，所用代碼比較少。然而，編譯器優(yōu)化代碼時(shí)通常都可以采取措施避免重復(fù)計(jì)算虛基類地址。況且，這種實(shí)現(xiàn)方式還有一個(gè)大弊端：從多個(gè)虛基類派生時(shí)，類實(shí)例將占用更多的內(nèi)存空間；獲取虛基類的虛基類的地址時(shí)，需要多次使用指針，從而效率較低等等。 觀察前面的G、H和I， 我們可以得到如下關(guān)于VC+虛繼承下內(nèi)存布局的結(jié)論：1 首先排列非虛繼承的基類實(shí)例；2 有虛基類時(shí)

29、，為每個(gè)基類增加一個(gè)隱藏的vbptr，除非已經(jīng)從非虛繼承的類那里繼承了一個(gè)vbptr；3 排列派生類的新數(shù)據(jù)成員；4 在實(shí)例最后，排列每個(gè)虛基類的一個(gè)實(shí)例。 該布局安排使得虛基類的位置隨著派生類的不同而“浮動(dòng)不定”，但是，非虛基類因此也就湊在一起，彼此的偏移量固定不變。2、成員變量 介紹了類布局之后，我們接著考慮對(duì)于不同的繼承方式，訪問成員變量的開銷進(jìn)行研究。 2.1 沒有繼承 沒有任何繼承關(guān)系時(shí)，訪問成員變量和C語言的情況完全一樣：從指向?qū)ο蟮闹羔?，考慮一定的偏移量即可。1C * pc;  /pc是指向C的指針2pc->c1; / *(pc

30、60;+ dCc1);  C* pc;pc->c1; / *(pc + dCc1);訪問C的成員變量c1，只需要在pc上加上固定的偏移量dCc1（在類C的實(shí)例pc中，實(shí)例pc指針地址與其c1成員變量之間的偏移量值），再獲取該指針的內(nèi)容即可,內(nèi)存分布見圖3,此時(shí)的開銷和C語言一樣比較少。 2.2 單繼承由于派生類實(shí)例與其基類實(shí)例之間的偏移量是常數(shù)0，所以，可以直接利用基類指針和基類成員之間的偏移量關(guān)系，如此計(jì)算得以簡(jiǎn)化。1D * pd; /D從C單繼承，pd為指向D的指針2pd->c1; / *(pd + 

31、;dDC + dCc1); / *(pd + dDc1);   3pd->d1; / *(pd + dDd1);  D* pd;pd->c1; / *(pd + dDC + dCc1); / *(pd + dDc1);pd->d1; / *(pd + dDd1); a. 當(dāng)訪問基類成員c1時(shí)，計(jì)算步驟本來應(yīng)該為“pd+dDC+dCc1”，即為先計(jì)算D對(duì)象和C對(duì)象之間的偏移，再在此基礎(chǔ)上加上C對(duì)象指針與成員變量c1 之間的偏移量。

32、然而，由于dDC恒定為0，所以直接計(jì)算C對(duì)象地址與c1之間的偏移就可以了。 b. 當(dāng)訪問派生類成員d1時(shí)，直接計(jì)算偏移量。內(nèi)存分布見圖4,此時(shí)從上述的分析可知，開銷還是和C語言一樣比較少。 2.3 多重繼承雖然派生類與某個(gè)基類之間的偏移量可能不為0，然而，該偏移量總是一個(gè)常數(shù)。只要是個(gè)常數(shù)，訪問成員變量，計(jì)算成員變量偏移時(shí)的計(jì)算就可以被簡(jiǎn)化。可見即使對(duì)于多重繼承來說，訪問成員變量開銷仍然不大，內(nèi)存分布見圖6。1F* pf; /  F繼承自C和E，pf是指向F對(duì)象的指針2pf->c1; / *(pf + dFC 

33、;+ dCc1); / *(pf + dFc1);   3pf->e1; / *(pf + dFE + dEe1); / *(pf + dFe1);   4pf->f1; / *(pf + dFf1);  F* pf;pf->c1; / *(pf + dFC + dCc1); / *(pf + dFc1);pf->e1; /

34、 *(pf + dFE + dEe1); / *(pf + dFe1);pf->f1; / *(pf + dFf1);a. 訪問C類成員c1時(shí)，F(xiàn)對(duì)象與內(nèi)嵌C對(duì)象的相對(duì)偏移為0，可以直接計(jì)算F和c1的偏移； b. 訪問E類成員e1時(shí)，F(xiàn)對(duì)象與內(nèi)嵌E對(duì)象的相對(duì)偏移是一個(gè)常數(shù)，F(xiàn)和e1之間的偏移計(jì)算也可以被簡(jiǎn)化； c. 訪問F自己的成員f1時(shí)，直接計(jì)算偏移量。 2.4 虛繼承 當(dāng)類有虛基類時(shí)，訪問非虛基類的成員仍然是計(jì)算固定偏移量的問題。然而，訪問虛基類的成員變量，開銷就增大了 ，因?yàn)楸仨毥?jīng)過如下步驟才能獲得成員變量的地址：1. 獲取“虛基類表指針”；2. 獲取虛基類表中某一表項(xiàng)的內(nèi)容；3.

35、 把內(nèi)容中指出的偏移量加到“虛基類表指針”的地址上。 然而，事情并非永遠(yuǎn)如此。正如下面訪問I對(duì)象的c1成員那樣，如果不是通過指針訪問，而是直接通過對(duì)象實(shí)例，則派生類的布局可以在編譯期間靜態(tài)獲得，偏移量也可以在編譯時(shí)計(jì)算，因此也就不必要根據(jù)虛基類表的表項(xiàng)來間接計(jì)算了。1I * pi; /  pi是指向I對(duì)象的指針2pi->c1; / *(pi + dIGvbptr + (*(pi+dIGvbptr)1 + dCc1);   3pi->g1; /&

36、#160;*(pi + dIG + dGg1); / *(pi + dIg1);   4pi->h1; / *(pi + dIH + dHh1); / *(pi + dIh1);   5pi->i1; / *(pi + dIi1);   6I i;   7i.c1; 

37、/ *(&i + IdIC + dCc1); / *(&i + IdIc1);  I* pi;pi->c1; / *(pi + dIGvbptr + (*(pi+dIGvbptr)1 + dCc1);pi->g1; / *(pi + dIG + dGg1); / *(pi + dIg1);pi->h1; / *(pi + dIH + dHh1); / *(pi + dIh1);pi->i1; / *(pi + dIi1);I i;i.c1; /

38、*(&i + IdIC + dCc1); / *(&i + IdIc1);I繼承自G和H，G和H的虛基類是C，pi是指向I對(duì)象的指針,內(nèi)存分布見圖9。a. 訪問虛基類C的成員c1時(shí)，dIGvbptr是“在I中，I對(duì)象指針與G的“虛基類表指針”之間的偏移”，*(pi + dIGvbptr)是虛基類表的開始地址，*(pi + dIGvbptr)1是虛基類表的第二項(xiàng)的內(nèi)容-在I對(duì)象中，G對(duì)象的“虛基類表指針”與虛基類之間的偏移，dCc1是C對(duì)象指針與成員變量c1之間的偏移； b. 訪問非虛基類G的成員g1時(shí)，直接計(jì)算偏移量； c. 訪問非虛基類H的成員h1時(shí)，直接計(jì)算偏移量； d.

39、訪問自身成員i1時(shí)，直接使用偏移量； e. 當(dāng)聲明了一個(gè)對(duì)象實(shí)例，用點(diǎn)“.”操作符訪問虛基類成員c1時(shí)，由于編譯時(shí)就完全知道對(duì)象的布局情況，所以可以直接計(jì)算偏移量。 當(dāng)訪問類繼承層次中，多層虛基類的成員變量時(shí)，情況又如何呢？比如，訪問虛基類的虛基類的成員變量時(shí)？一些實(shí)現(xiàn)方式為：保存一個(gè)指向直接虛基類的指針，然后就可以從直接虛基類找到它的虛基類，逐級(jí)上推。VC+優(yōu)化了這個(gè)過程。 VC+在虛基類表中增加了一些額外的項(xiàng)，這些項(xiàng)保存了從派生類到其各層虛基類的偏移量。3、強(qiáng)制轉(zhuǎn)化 如果沒有虛基類的問題，將一個(gè)指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為另一個(gè)類型的指針代價(jià)并不高昂。如果在要求轉(zhuǎn)化的兩個(gè)指針之間有“基類-派生類”關(guān)系，

40、編譯器只需要簡(jiǎn)單地在兩者之間加上或者減去一個(gè)偏移量即可（并且該量還往往為0）。1F * pf;   2(C*)pf; / (C*)(pf ? pf + dFC : 0); / (C*)pf;   3(E*)pf; / (E*)(pf ? pf + dFE : 0);  F* pf;(C*)pf; / (C*)(pf ? pf + dFC : 0);

41、 / (C*)pf;(E*)pf; / (E*)(pf ? pf + dFE : 0);C和E是F的基類，內(nèi)存分布見圖6，將F的指針pf轉(zhuǎn)化為C*或E*，只需要將pf加上一個(gè)相應(yīng)的偏移量。轉(zhuǎn)化為C類型指針C*時(shí)，不需要計(jì)算，因?yàn)镕和C之間的偏移量為 0。轉(zhuǎn)化為E類型指針E*時(shí)，必須在指針上加一個(gè)非0的偏移常量dFE。C+規(guī)范要求NULL指針在強(qiáng)制轉(zhuǎn)化后依然為NULL，（代碼的解釋中用了三目運(yùn)算符 “？：”）因此在做強(qiáng)制轉(zhuǎn)化需要的運(yùn)算之前，VC+會(huì)檢查指針是否為NULL。當(dāng)然，這個(gè)檢查只有當(dāng)指針被顯示或者隱式轉(zhuǎn)化為相關(guān)類型指針時(shí)才進(jìn)行；當(dāng)在派生類對(duì)象中調(diào)用基類的方法，派生類指針在后臺(tái)被轉(zhuǎn)化為一個(gè)

42、基類的Const “this” 指針時(shí)，這個(gè)檢查就不需要進(jìn)行了，因?yàn)樵诖藭r(shí)，該指針一定不為NULL。正如你猜想的，當(dāng)繼承關(guān)系中存在虛基類時(shí)，強(qiáng)制轉(zhuǎn)化的開銷會(huì)比較大。具體說來，和訪問虛基類成員變量的開銷相當(dāng)。1I* pi;   2(G*)pi; / (G*)pi;   3(H*)pi; / (H*)(pi ? pi + dIH : 0);   4(C*)pi; / (C*)(pi ? (p

43、i+dIGvbptr + (*(pi+dIGvbptr)1) : 0);  I* pi;(G*)pi; / (G*)pi;(H*)pi; / (H*)(pi ? pi + dIH : 0);(C*)pi; / (C*)(pi ? (pi+dIGvbptr + (*(pi+dIGvbptr)1) : 0);pi是指向I對(duì)象的指針，G,H是I的基類，C是G,H的虛基類。（內(nèi)存分布見（圖9）a. 強(qiáng)制轉(zhuǎn)化pi為G*時(shí)，由于G*和I*的地址相同，不需要計(jì)算； b. 強(qiáng)制轉(zhuǎn)化pi為H*時(shí)，只需要考慮一個(gè)常量偏移； c. 強(qiáng)制轉(zhuǎn)化pi為C*時(shí)，所

44、作的計(jì)算和訪問虛基類成員變量的開銷相同，首先得到G的虛基類表指針，再?gòu)奶摶惐淼牡诙?xiàng)中取出G到虛基類C的偏移量，最后根據(jù)pi、虛基類表偏移和虛基類C與虛基類表指針之間的偏移計(jì)算出C*。 一般說來，當(dāng)從派生類中訪問虛基類成員時(shí)，應(yīng)該先強(qiáng)制轉(zhuǎn)化派生類指針為虛基類指針，然后一直使用虛基類指針來訪問虛基類成員變量。這樣做，可以避免每次都要計(jì)算虛基類地址的開銷。見下例。 1 . pi->c1 . pi->c1 .2 C* pc = pi; . pc->c1 . pc->c1 .前者一直使用派生類指針pi，故每次訪問c1都有計(jì)算虛基類地址的較大開銷；后者先將pi轉(zhuǎn)化為虛基類指針p

45、c，故后續(xù)調(diào)用可以省去計(jì)算虛基類地址的開銷。4、成員函數(shù) 一個(gè)C+成員函數(shù)只是類范圍內(nèi)的又一個(gè)成員。X類每一個(gè)非靜態(tài)的成員函數(shù)都會(huì)接受一個(gè)特殊的隱藏參數(shù)this指針，類型為X* const。該指針在后臺(tái)初始化為指向成員函數(shù)工作于其上的對(duì)象。同樣，在成員函數(shù)體內(nèi)，成員變量的訪問是通過在后臺(tái)計(jì)算與this指針的偏移來進(jìn)行。1 class P   2 public:   3int p1;   4void pf(); /類P的非虛成員函數(shù)  5virtual vo

46、id pvf(); / 類P的虛成員函數(shù)   6;  （圖10）struct P int p1; void pf(); / new virtual void pvf(); / new;P有一個(gè)非虛成員函數(shù)pf()，以及一個(gè)虛成員函數(shù)pvf()(有關(guān)多態(tài)和虛函數(shù)的知識(shí)見附3. C+之多態(tài)性與虛函數(shù))。很明顯，虛成員函數(shù)的處理方法，在VC+ 中，與虛繼承的處理方式如出一轍，這樣同樣也造成對(duì)象實(shí)例占用了更多內(nèi)存空間，因?yàn)閷?shí)例需增加一個(gè)隱藏的“虛函數(shù)表指針”（virtual function pointer 或 virtual fu

47、nction table pointer）成員變量，簡(jiǎn)稱vfptr，從而達(dá)C+的多態(tài)目的。（注：可以讓成員函數(shù)操作一般化，用基類的指針指向不同的派生類的對(duì)象時(shí)，基類指針調(diào)用其虛成員函數(shù)，則會(huì)調(diào)用其真正指向?qū)ο蟮某蓡T函數(shù)，而不是基類中定義的成員函數(shù)（只要派生類改寫了該成員函數(shù)）。若不是虛函數(shù)，則不管基類指針指向的哪個(gè)派生類對(duì)象，調(diào)用時(shí)都會(huì)調(diào)用基類中定義的那個(gè)函數(shù)）該變量指向一個(gè)全類共享的偏移量表-虛函數(shù)表（virtual function table ），簡(jiǎn)稱vftable。這一點(diǎn)以后還會(huì)談到。這里要特別指出的是，聲明非虛成員函數(shù)不會(huì)造成任何對(duì)象實(shí)例的內(nèi)存開銷?，F(xiàn)在，考慮P:pf()的定義。1v

48、oid P:pf()  / 實(shí)際是：void P:pf(P *const this)   2 +p1;   /實(shí)際是： +(this->p1);   3  void P:pf() / void P:pf(P *const this) +p1; / +(this->p1);這里P:pf()接受了一個(gè)隱藏的this指針參數(shù)，對(duì)于每個(gè)非靜態(tài)成員函數(shù)調(diào)用，編譯器都會(huì)自動(dòng)加上這個(gè)this參數(shù)。同時(shí)，注意成員變量訪問

49、也許比看起來要代價(jià)高昂一些，因?yàn)槌蓡T變量訪問通過this指針進(jìn)行，在有的繼承層次下，this指針需要進(jìn)行調(diào)整，所以訪問的開銷可能會(huì)比較大。然而，從另一方面來說，編譯器通常會(huì)把this指針緩存到寄存器中，所以，成員變量訪問的代價(jià)不會(huì)比訪問局部變量的效率更差。（在win32位編譯模式下訪問局部變量時(shí)，需要到EBP寄存器中得到棧指針，再加上局部變量與棧頂?shù)钠疲ň植孔兞颗cEBP寄存器值的偏移），所以訪問成員變量的過程將與訪問局部變量的開銷相似）。4.1 覆蓋成員函數(shù) 和成員變量一樣，成員函數(shù)也會(huì)被繼承。與成員變量不同的是，通過在派生類中重新定義基類函數(shù)，一個(gè)派生類可以覆蓋，或者說替換掉基類的函數(shù)定義

50、。覆蓋是靜態(tài) （根據(jù)成員函數(shù)的靜態(tài)類型在編譯時(shí)決定）還是動(dòng)態(tài) （通過對(duì)象指針在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)決定），依賴于成員函數(shù)是否被聲明為“虛函數(shù)”。 Q從P繼承了成員變量和成員函數(shù)。Q聲明了pf()，覆蓋了P:pf()。Q還聲明了pvf()，覆蓋了P:pvf()虛函數(shù)。Q還聲明了新的非虛成員函數(shù)qf()，以及新的虛成員函數(shù)qvf()。1 class Q : public P    2 public:  3int q1;   4void pf(); / 覆蓋 P

51、:pf   5void qf(); / 新建   6void pvf(); /覆蓋 P:pvf   7virtual void qvf(); / 新建   8;  struct Q : P int q1; void pf(); / overrides P:pf void qf(); / new void pvf(); / overrides P:pvf virtual void qvf(); /

52、new;（圖11）請(qǐng)看下面對(duì)于非虛函數(shù)的調(diào)用：1P p; P* pp = &p; Q q; P* ppq = &q; Q* pq = &q;   2pp->pf(); / pp->P:pf(); / P:pf(pp);   3ppq->pf(); / ppq->P:pf(); / 

53、P:pf(P*)ppq);   4pq->pf(); / pq->Q:pf(); / Q:pf(pq);  5pq->qf(); / pq->Q:qf(); / Q:qf(pq);  對(duì)于非虛的成員函數(shù)來說，調(diào)用哪個(gè)成員函數(shù)是在編譯時(shí)，根據(jù)“->”操作符左邊指針表達(dá)式的類型靜態(tài)決定的。特別地，即使ppq指向Q的實(shí)例，ppq->pf()仍然調(diào)用的是P:pf()，因?yàn)閜pq被聲明為“P*”。（注意，此時(shí)“->”操作符左

54、邊的指針類型決定隱藏的this參數(shù)的類型。）請(qǐng)看下面對(duì)于虛函數(shù)的調(diào)用：1pp->pvf(); / pp->P:pvf(); / P:pvf(pp);   2ppq->pvf(); / ppq->Q:pvf(); / Q:pvf(Q*)ppq);   3pq->pvf(); / pq->Q:pvf(); / Q:pvf(pq); 對(duì)于虛函數(shù)調(diào)用來說，調(diào)用哪個(gè)成員函數(shù)在運(yùn)行時(shí) 決定。不管“-&g

55、t;”操作符左邊的指針表達(dá)式的類型如何，調(diào)用的虛函數(shù)都是由指針實(shí)際指向的實(shí)例類型所決定。比如，盡管ppq的類型是P*，當(dāng)ppq指向Q的實(shí)例時(shí)，調(diào)用的仍然是Q:pvf()。pp->pvf(); / pp->P:pvf(); / P:pvf(pp);ppq->pvf(); / ppq->Q:pvf(); / Q:pvf(Q*)ppq);pq->pvf(); / pq->Q:pvf(); / Q:pvf(P*)pq); （錯(cuò)誤！）為了實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制，引入了隱藏的vfptr 成員變量。 一個(gè)vfptr被加入到類中（如果類中沒有的話），該vfptr指向類的虛函數(shù)表（vf

56、table）。類中每個(gè)虛函數(shù)在該類的虛函數(shù)表中都占據(jù)一項(xiàng)。每項(xiàng)保存一個(gè)對(duì)于該類適用的虛函數(shù)的地址。因此，調(diào)用虛函數(shù)的過程如下：取得實(shí)例的vfptr；通過vfptr得到虛函數(shù)表的一項(xiàng)；通過虛函數(shù)表該項(xiàng)的函數(shù)地址間接調(diào)用虛函數(shù)。也就是說，在普通函數(shù)調(diào)用的參數(shù)傳遞、調(diào)用、返回指令開銷外，虛函數(shù)調(diào)用還需要額外的開銷。 回頭再看看P和Q的內(nèi)存布局（見（圖10）（圖11），可以發(fā)現(xiàn)，VC+編譯器把隱藏的vfptr成員變量放在P和Q實(shí)例的開始處。這就使虛函數(shù)的調(diào)用能夠盡量快一些。實(shí)際上，VC+的實(shí)現(xiàn)方式是，保證任何有虛函數(shù)的類的第一項(xiàng)永遠(yuǎn)是vfptr。這就可能要求在實(shí)例布局時(shí)，在基類前插入新的vfptr，或

57、者要求在多重繼承時(shí)，雖然在右邊，然而有vfptr的基類放到左邊沒有vfptr的基類的前面（如下）。1class CA   2 public:    int a;   3class CB   4 public:    int b;   5class CL : public CB, public CA  

58、0;6 public:    int c;  class CA int a;class CB int b;class CL : public CB, public CA int c;對(duì)于CL類，它的內(nèi)存布局是：（圖12）但是，改造CA如下：1class CA   2   3 public:  4int a;   5virtual void seta( int _a )

59、  a = _a;    6;  class CA int a; virtual void seta( int _a ) a = _a; ;對(duì)于同樣繼承順序的CL，內(nèi)存布局是：（圖13）許多C+的實(shí)現(xiàn)會(huì)共享或者重用從基類繼承來的vfptr。比如，Q并不會(huì)有一個(gè)額外的vfptr，指向一個(gè)專門存放新的虛函數(shù)qvf()的虛函數(shù)表。qvf項(xiàng)只是簡(jiǎn)單地追加到P的虛函數(shù)表的末尾（見（圖11）。如此一來，單繼承的代價(jià)就不算高昂。一旦一個(gè)實(shí)例有vfptr了，它就不需要更多的vfptr。新的派生類可以引入更多的虛函數(shù)，這些

60、新的虛函數(shù)只是簡(jiǎn)單地在已存在的，“每類一個(gè)”的虛函數(shù)表的末尾追加新項(xiàng)。 4.2 多重繼承下的虛函數(shù) 如果從多個(gè)有虛函數(shù)的基類繼承，一個(gè)實(shí)例就有可能包含多個(gè)vfptr?？紤]如下的R和S類：1 class R    2 public:3int r1;   4virtual void pvf(); /新建   5 virtual void rvf(); / 新建   6;  （圖14）stru

61、ct R int r1; virtual void pvf(); / new virtual void rvf(); / new;  1 class S : public P, public R    2 public:3int s1;   4void pvf(); / 覆蓋 P:pvf 和 R:pvf   5void rvf(); /覆蓋 R:rvf   

62、6void svf(); / 新建   7;  （圖15）struct S : P, R int s1; void pvf(); / overrides P:pvf and R:pvf void rvf(); / overrides R:rvf void svf(); / new;這里R是另一個(gè)包含虛函數(shù)的類。因?yàn)镾從P和R多重繼承，S的實(shí)例內(nèi)嵌P和R的實(shí)例，以及S自身的數(shù)據(jù)成員S:s1。注意，在多重繼承下，靠右的基類R，其實(shí)例的地址和P與S不同。S:pvf覆蓋了P:pvf()和R:pvf()，S:rvf()覆蓋了R:rvf

63、()。1S s; S* ps = &s;   2(P*)ps)->pvf(); / (*(P*)ps)->P:vfptr0)(S*)(P*)ps)   3(R*)ps)->pvf(); / (*(R*)ps)->R:vfptr0)(S*)(R*)ps)   4ps->pvf();       /上面的其中一個(gè)調(diào)用 S:pvf()&

64、#160; S s; S* ps = &s;(P*)ps)->pvf(); / (*(P*)ps)->P:vfptr0)(S*)(P*)ps)(R*)ps)->pvf(); / (*(R*)ps)->R:vfptr0)(S*)(R*)ps)ps->pvf(); / one of the above; calls S:pvf()調(diào)用(P*)ps)->pvf()時(shí)，先到P的虛函數(shù)表中取出第一項(xiàng)，然后把(P*)ps轉(zhuǎn)化為S*作為this指針傳遞進(jìn)去；調(diào)用(R*)ps)->pvf()時(shí)，先到R的虛函數(shù)表中取出第一項(xiàng)，然后把(R*)ps轉(zhuǎn)化為S

65、*作為this指針傳遞進(jìn)去因?yàn)镾:pvf()覆蓋了P:pvf()和R:pvf()，在S的虛函數(shù)表中，相應(yīng)的項(xiàng)也應(yīng)該被覆蓋。然而，我們很快注意到，不光可以用P*，還可以用R*來調(diào)用pvf()。問題出現(xiàn)了：R的地址與P和S的地址不同。表達(dá)式 (R*)ps與表達(dá)式(P*)ps指向類布局中不同的位置。因?yàn)楹瘮?shù)S:pvf希望獲得一個(gè)S*作為隱藏的this指針參數(shù)，虛函數(shù)必須把R*轉(zhuǎn)化為 S*。因此，在S對(duì)R虛函數(shù)表的拷貝中，pvf函數(shù)對(duì)應(yīng)的項(xiàng)，指向的是一個(gè)“調(diào)整塊”的地址，該調(diào)整塊使用必要的計(jì)算，把R*轉(zhuǎn)換為需要的S*。調(diào)整塊內(nèi)容就是圖15中的“thunk1: this-= sdPR; goto S:p

66、vf”，先根據(jù)P和R在S中的偏移，調(diào)整this為P*，也就是S*，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的虛函數(shù)處執(zhí)行。（具體詳細(xì)說明見后面的4.4調(diào)整塊）在微軟VC+實(shí)現(xiàn)中，對(duì)于有虛函數(shù)的多重繼承，只有當(dāng)派生類虛函數(shù)覆蓋了多個(gè)基類的虛函數(shù)時(shí)，才使用調(diào)整塊。  4.3 地址點(diǎn)與“邏輯this調(diào)整” 考慮下一個(gè)虛函數(shù)S:rvf()，該函數(shù)覆蓋了R:rvf()。我們都知道S:rvf()必須有一個(gè)隱藏的S*類型的this參數(shù)。但是，因?yàn)橐部梢杂肦*來調(diào)用rvf()，也就是說，R的rvf虛函數(shù)可能以如下方式被用到：1(R*)ps)->rvf(); / (*(R*)ps)->R:vfp

67、tr1)(R*)ps)  (R*)ps)->rvf(); / (*(R*)ps)->R:vfptr1)(R*)ps)所以，大多數(shù)實(shí)現(xiàn)用另一個(gè)調(diào)整塊將傳遞給rvf的R*轉(zhuǎn)換為S*。還有一些實(shí)現(xiàn)在S的虛函數(shù)表末尾添加一個(gè)特別的虛函數(shù)項(xiàng)，該虛函數(shù)項(xiàng)提供方法，從而可以直接調(diào)用ps->rvf()，而不用先轉(zhuǎn)換R*。VC+的實(shí)現(xiàn)不是這樣，VC+有意將S:rvf編譯為接受一個(gè)指向S中嵌套的R實(shí)例，而非指向S實(shí)例的指針（我們稱這種行為是“給派生類的指針類型與該虛函數(shù)第一次被引入時(shí)接受的指針類型相同”）。所有這些在后臺(tái)透明發(fā)生，對(duì)成員變量的存取，成員函數(shù)的this指針，都進(jìn)行“邏輯this調(diào)整”。 當(dāng)然，在debugger中，必須對(duì)這種this調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)償。1ps->rv