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
使用图片表示如下：
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
使用图片表示是下面这个样子：
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：
| GCC 3.4.4 | VC++ 2003 |
| [0] D::B1::_vptr-> [0] D::f() [1] B::Bf() [2] D::f1() [3] B1::Bf1() [4] D::f2() [5] 0x1 [1] B::ib = 0 [2] B::cb = B [3] B1::ib1 = 11 [4] B1::cb1 = 1 [5] D::B2::_vptr-> [0] D::f() [1] B::Bf() [2] D::f2() [3] B2::Bf2() [4] 0x0 [6] B::ib = 0 [7] B::cb = B [8] B2::ib2 = 12 [9] B2::cb2 = 2 [10] D::id = 100 [11] D::cd = D | [0] D::B1::_vptr-> [0] D::f() [1] B::Bf() [2] D::f1() [3] B1::Bf1() [4] D::Df() [5] 0x00000000 [1] B::ib = 0 [2] B::cb = B [3] B1::ib1 = 11 [4] B1::cb1 = 1 [5] D::B2::_vptr-> [0] D::f() [1] B::Bf() [2] D::f2() [3] B2::Bf2() [4] 0x00000000 [6] B::ib = 0 [7] B::cb = B [8] B2::ib2 = 12 [9] B2::cb2 = 2 [10] D::id = 100 [11] D::cd = D |
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：
上图和前面的“重复继承”中的类的内部数据和接口都是完全一样的，只是我们采用了虚拟继承：其省略后的源码如下所示：
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::cb1cout << "[4] = 0x";
cout << (int*)*((int*)(&bb1)+4) << endl; //NULLcout << "[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）：
| GCC 3.4.4 | VC++ 2003 |
| [0] B1::_vptr -> [0] : B1::f() [1] : B1::f1() [2] : B1::Bf1() [3] : 0 [1] B1::ib1 : 11 [2] B1::cb1 : 1 [3] B::_vptr -> [0] : B1::f() [1] : B::Bf() [2] : 0 [4] B::ib : 0 [5] B::cb : B [6] NULL : 0 | [0] B1::_vptr-> [0] B1::f1() [1] B1::Bf1() [2] 0 [1] = 0x00454310 ç该地址取值后是-4 [2] B1::ib1 = 11 [3] B1::cb1 = 1 [4] = 0x00000000 [5] B::_vptr-> [0] B1::f() [1] B::Bf() [2] 0x00000000 [6] B::ib = 0 [7] B::cb = B |
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::cb2cout << "[8] D::id = ";
cout << *((int*)(&dd)+8) << endl; //D::id
cout << "[9] D::cd = ";
cout << (char)*((int*)(&dd)+9) << endl;//D::cdcout << "[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）
| GCC 3.4.4 | VC++ 2003 |
| [0] B1::_vptr -> [0] : D::f() [1] : D::f1() [2] : B1::Bf1() [3] : D::f2() [4] : D::Df() [5] : 1 [1] B1::ib1 : 11 [2] B1::cb1 : 1 [3] B2::_vptr -> [0] : D::f() [1] : D::f2() [2] : B2::Bf2() [3] : 0 [4] B2::ib2 : 12 [5] B2::cb2 : 2 [6] D::id : 100 [7] D::cd : D [8] B::_vptr -> [0] : D::f() [1] : B::Bf() [2] : 0 [9] B::ib : 0 [10] B::cb : B [11] NULL : 0 | [0] D::B1::_vptr-> [0] D::f1() [1] B1::Bf1() [2] D::Df() [3] 00000000 [1] = 0x0013FDC4 ç 该地址取值后是-4 [2] B1::ib1 = 11 [3] B1::cb1 = 1 [4] D::B2::_vptr-> [0] D::f2() [1] B2::Bf2() [2] 00000000 [5] = 0x4539260 ç 该地址取值后是-4 [6] B2::ib2 = 12 [7] B2::cb2 = 2 [8] D::id = 100 [9] D::cd = D [10] = 0x00000000 [11] D::B::_vptr-> [0] D::f() [1] B::Bf() [2] 00000000 [12] B::ib = 0 [13] B::cb = B |
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。
