【C++】虚函数和虚继承的内存分布情况

旧城等待， 2022-06-18 09:51 291阅读 0赞

最近做题的时候经常遇到虚函数和虚继承的内存分布情况问题，自己也有点生疏了，所以，赶紧在这里回忆补充一下！

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**先从一个类的内存分布情况开始看起：**

环境：VS2012

class A
    {
        int a;
    public:
        A()
            :a(1)
        {}
    
        void fun()
        {
            cout<<"A"<<endl;
        }
    };

按照我的理解，内存中只有一个int a; 这个类的大小为 4；下面写个测试：

A a;
        cout<<sizof(a)<<endl;

先通过调试看内存情况：

![这里写图片描述][SouthEast]

sizeof(a) 的结果：

![这里写图片描述][SouthEast 1]

结果和预想的一样，当然这只是复习的一个热身；

**将fun 变为虚函数：**

virtual void fun()
        {
            cout<<"A"<<endl;
        }

先通过调试看内存情况：

![这里写图片描述][SouthEast 2]

查看 sizeof(a)的大小：

![这里写图片描述][SouthEast 3]

我们可以看到，在类中加入虚函数之后，实例之后的对象会有一个虚函数指针，指向一个虚函数表，而虚函数表中存放的是虚函数地址！

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**下面我们来一个B类继承A类，看看内存的分布：**

class B: public A
    {
        int b;
    public:
        B()
            :b(2)
        {}
        void fun()
        {
            cout<<"B"<<endl;
        }
    };

B继承A，并且有一个成员 b，重写了A的fun；

测试：

B b;
        cout<<"sizeof(b) = "<<sizeof(b)<<endl;

调试查看b的内存布局：

![这里写图片描述][SouthEast 4]

内存布局分析： 我们可以看到先存放的是A 的成员 a, 然后存放的才是 B的成员 b；

sizeof(b) 的结果：

![这里写图片描述][SouthEast 5]

**此时我们再让A的fun为虚函数，看看 B继承 A 之后b的内存分布：**

![这里写图片描述][SouthEast 6]

sizeof(b) 的 大小：

![这里写图片描述][SouthEast 7]

分析： 此时b的内存布局是：先是一个虚表指针，然后是 a , b;

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**我们再看看一个类分别继承 A 和 B的情况：此时是这样的情况**

![这里写图片描述][SouthEast 8]

class C: public A, public B
    {
        int c;
    public:
        C()
            :c(3)
        {}
        void fun()
        {
            cout<<"C"<<endl;
        }
    };

C类先继承 A 再继承 B 类， **注意：此时我们B类没有继承 A 类,并且没有虚函数**

测试

C c;
     cout<<"sizeof(c) = "<<sizeof(c)<<endl;

调试查看内存：

![这里写图片描述][SouthEast 9]

查看 sizeof(c) 的结果：

![这里写图片描述][SouthEast 10]

此时将 A 和 B 的fun设为虚函数，看看 c 的内存布局：

![这里写图片描述][SouthEast 11]

sizeof(c)的结果

![这里写图片描述][SouthEast 12]

分析： 内存布局，首先是一个虚表指针，和A的一致，然后是a的成员，接着是B的虚表指针,B的数据成员， 最后是C的数据成员；

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感觉情况好多，后面的sizeof的结果就不截图了；

到这里，我们可以对含有虚函数的类的对象的内存布局做一个总结：

首先，内存的开始一定是一个虚表指针，指向一个虚表，如果含有继承，则和第一个继承的基类的虚表指针一致，然后先存放基类的数据成员，再存放自己的数据成员；还有一点，那就是如果子类中对基类的虚函数进行了重写，那么会在虚表中覆盖掉基类虚函数的地址！

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下面我们要看的是多重继承的内存分布情况，这里就只看一种：菱形继承；

什么是菱形继承？

上面我们举过一个例子， c 分别继承 A 和 B； 如果我让 A 和 B 分别再继承一个基类 Base 的话，这就叫菱形继承：

**大概逻辑关系如下： 没有虚函数**

![这里写图片描述][SouthEast 13]

class Base
    {
        int base;
    public:
        Base()
            :base(0)
        {}
    };
    
    class A:public Base
    {
        int a;
    public:
        A()
            :a(1)
        {}
    
        void fun()
        {
            cout<<"A"<<endl;
        }
    };
    
    class B : public Base
    {
        int b;
    public:
        B()
            :b(2)
        {}
         void fun()
        {
            cout<<"B"<<endl;
        }
    };
    
    class C: public A, public B
    {
        int c;
    public:
        C()
            :c(3)
        {}
        void fun()
        {
            cout<<"C"<<endl;
        }
    };

那么此时如果有一个 C 的对象 c 的话，c的内存布局应该是怎么样的呢？

我们看看 c 的内存布局：

![这里写图片描述][SouthEast 14]

意料之中的布局，但是有一个问题，c 从A继承了一个 Base 的 base,又从B继承了一个Base 的 base，那么我们在调用的时候到底用的是哪一个？ 而且如果base是一个非常大的结构体的话，每一个继承都需要创建一个base，那么岂不是很浪费空间，这就是多重继承的二义性和冗余的问题；

而虚继承存在的目的便是为了解决这个问题，那么它是如何解决的呢？

即使得A和B都虚继承Base，那么Base就是一个虚基类，只存储一份，而A和B中关于base的存储，都是存储一个指针，指向一个base， 因为把Base的成员存放在了内存的最后，这样根据相对偏移量就找到了这个共有的base;

说了这些都是纸上谈兵，终觉浅，我们还是直接来查看内存的布局吧；

class A:virtual public Base
    {
        int a;
    public:
        A()
            :a(1)
        {}
    
        void fun()
        {
            cout<<"A"<<endl;
        }
    };
    
    class B : virtual public Base
    {
        int b;
    public:
        B()
            :b(2)
        {}
         void fun()
        {
            cout<<"B"<<endl;
        }
    };

实例一个C 的对象 c ，看内存布局：

![这里写图片描述][SouthEast 15]

我们可以 看到原本应该是00 00 00 00的位置被指针代替了，而base只在最后存了一份；

实际上这两个指针指向一个虚基表，记录当前位置到最底下base的偏移量；这样就达到了共享的目的；

如果对于虚基类只被构造了一次抱有怀疑，可以在前面的测试中的构造函数中加入测试语句查看；

先复习到这吧，，，好累，后面继续补充!

![这里写图片描述][SouthEast 16]

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[SouthEast 1]: /images/20220618/fc74c45dc0d34d30b302869cbb948160.png
[SouthEast 2]: /images/20220618/10f1ecaff7e846c0a0251eab735339ca.png
[SouthEast 3]: /images/20220618/6622829592ae4051a205d3ce93431538.png
[SouthEast 4]: /images/20220618/e7a867ee550e4a0ab8e9becf83a2ea2c.png
[SouthEast 5]: /images/20220618/6e3d9c204bc6448fa1204ea8b9c21d9b.png
[SouthEast 6]: /images/20220618/cf9dddc6bd6d4bac91cb98db7a9d82ad.png
[SouthEast 7]: /images/20220618/365e1a47cfbb488ea2399163c94795e6.png
[SouthEast 8]: /images/20220618/e602ccc3311c48cdb8920dc8a7aba69b.png
[SouthEast 9]: /images/20220618/5adca21fda5046338e7aed7e74c9e170.png
[SouthEast 10]: /images/20220618/fbc237ab30e441319a49d719229fdb24.png
[SouthEast 11]: /images/20220618/3a319aff0c3c49dc9e479c567dcd4eb0.png
[SouthEast 12]: /images/20220618/b503a979fad84986ba0ce863974856ef.png
[SouthEast 13]: /images/20220618/29a649b527b9435b8bb891635de5a1eb.png
[SouthEast 14]: /images/20220618/dc2ffcca900547e387cb5a476ff8a97d.png
[SouthEast 15]: /images/20220618/a1bb4a57d1fb4d93a868b4f7c0cdd354.png
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