多重继承地内存分布.docx
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多重继承地内存分布.docx
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多重继承地内存分布
指针的比较
再以上面Bottom类继承关系为例讨论,下面这段代码会打印Equal吗?
1 Bottom*b= new Bottom();
2 Right*r=b;
3
4 if(r==b)
5 printf("Equal!
/n");
先明确下这两个指针实际上是指向不同地址的,r指针实际上在b指针所指地址上偏移8字节,但是,这些C++内部细节不能告诉C++程序员,所以C++编译器在比较r和b时,会把r减去8字节,然后再来比较,所以打印出的值是"Equal".
多重继承
首先我们先来考虑一个很简单(non-virtual)的多重继承。
看看下面这个C++类层次结构。
1 class Top
2 {
3 public:
4 int a;
5 };
6
7 class Left:
public Top
8 {
9 public:
10 int b;
11 };
12
13 class Right:
public Top
14 {
15 public:
16 int c;
17 };
18
19 class Bottom:
public Left, public Right
20 {
21 public:
22 int d;
23 };
24
用UML表述如下:
注意到Top类实际上被继承了两次,(这种机制在Eiffel中被称作repeated inheritance),这就意味着在一个bottom对象中实际上有两个a属性(attributes,可以通过bottom.Left:
:
a和 bottom.Right:
:
a访问) 。
那么Left、Right、Bottom在内存中如何分布的呢?
我们先来看看简单的Left和Right内存分布:
[Right类的布局和Left是一样的,因此我这里就没再画图了。
刺猬]
注意到上面类各自的第一个属性都是继承自Top类,这就意味着下面两个赋值语句:
1 Left*left= new Left();
2 Top*top=left;
left和top实际上是指向两个相同的地址,我们可以把Left对象当作一个Top对象(同样也可以把Right对象当Top对象来使用)。
但是Botom对象呢?
GCC是这样处理的:
但是现在如果我们upcast 一个Bottom指针将会有什么结果?
1 Bottom*bottom= new Bottom();
2 Left*left=bottom;
这段代码运行正确。
这是因为GCC选择的这种内存布局使得我们可以把Bottom对象当作Left对象,它们两者(Left部分)正好相同。
但是,如果我们把Bottom对象指针upcast到Right对象呢?
1 Right*right=bottom;
如果我们要使这段代码正常工作的话,我们需要调整指针指向Bottom中相应的部分。
通过调整,我们可以用right指针访问Bottom对象,这时Bottom对象表现得就如Right对象。
但是bottom和right指针指向了不同的内存地址。
最后,我们考虑下:
1 Top*top=bottom;
恩,什么结果也没有,这条语句实际上是有歧义(ambiguous)的,编译器会报错:
error:
`Top'isanambiguousbaseof`Bottom'。
其实这两种带有歧义的可能性可以用如下语句加以区分:
1 Top*topL=(Left*)bottom;
2 Top*topR=(Right*)bottom;
这两个赋值语句执行之后,topL和left指针将指向同一个地址,同样topR和right也将指向同一个地址。
虚拟继承
为了避免上述Top类的多次继承,我们必须虚拟继承类Top。
1 classTop
2 {
3 public:
4 int a;
5 };
6
7 classLeft:
virtualpublicTop
8 {
9 public:
10 int b;
11 };
12
13 classRight:
virtualpublicTop
14 {
15 public:
16 int c;
17 };
18
19 classBottom:
publicLeft,publicRight
20 {
21 public:
22 int d;
23 };
24
上述代码将产生如下的类层次图(其实这可能正好是你最开始想要的继承方式)。
对于程序员来说,这种类层次图显得更加简单和清晰,不过对于一个编译器来说,这就复杂得多了。
我们再用Bottom的内存布局作为例子考虑,它可能是这样的:
这种内存布局的优势在于它的开头部分(Left部分)和Left的布局正好相同,我们可以很轻易地通过一个Left指针访问一个Bottom对象。
不过,我们再来考虑考虑Right:
1 Right*right=bottom;
虚拟继承
为了避免上述Top类的多次继承,我们必须虚拟继承类Top。
1 classTop
2 {
3 public:
4 int a;
5 };
6
7 classLeft:
virtualpublicTop
8 {
9 public:
10 int b;
11 };
12
13 classRight:
virtualpublicTop
14 {
15 public:
16 int c;
17 };
18
19 classBottom:
publicLeft,publicRight
20 {
21 public:
22 int d;
23 };
24
上述代码将产生如下的类层次图(其实这可能正好是你最开始想要的继承方式)。
对于程序员来说,这种类层次图显得更加简单和清晰,不过对于一个编译器来说,这就复杂得多了。
我们再用Bottom的内存布局作为例子考虑,它可能是这样的:
这种内存布局的优势在于它的开头部分(Left部分)和Left的布局正好相同,我们可以很轻易地通过一个Left指针访问一个Bottom对象。
不过,我们再来考虑考虑Right:
1 Right*right=bottom;
这里我们应该把什么地址赋值给right指针呢?
理论上说,通过这个赋值语句,我们可以把这个right指针当作真正指向一个Right对象的指针(现在指向的是Bottom)来使用。
但实际上这是不现实的!
一个真正的Right对象内存布局和Bottom对象Right部分是完全不同的,所以其实我们不可能再把这个upcasted的bottom对象当作一个真正的right对象来使用了。
而且,我们这种布局的设计不可能还有改进的余地了。
这里我们先看看实际上内存是怎么分布的,然后再解释下为什么这么设计。
上图有两点值得大家注意。
第一点就是类中成员分布顺序是完全不一样的(实际上可以说是正好相反)。
第二点,类中增加了vptr指针,这些是被编译器在编译过程中插入到类中的(在设计类时如果使用了虚继承,虚函数都会产生相关vptr)。
同时,在类的构造函数中会对相关指针做初始化,这些也是编译器完成的工作。
Vptr指针指向了一个“virtual table”。
在类中每个虚基类都会存在与之对应的一个vptr指针。
为了给大家展示virtual table作用,考虑下如下代码。
1 Bottom*bottom=newBottom();
2 Left*left=bottom;
3 int p=left->a;
第二条的赋值语句让left指针指向和bottom同样的起始地址(即它指向Bottom对象的“顶部”)。
我们来考虑下第三条的赋值语句。
1 movl left,%eax #%eax = left
2 movl (%eax),%eax #%eax = left.vptr.Left
3 movl (%eax),%eax #%eax = virtual base offset
4 addl left,%eax #%eax = left + virtual base offset
5 movl (%eax),%eax #%eax = left.a
6 movl %eax, p # p = left.a
总结下,我们用left指针去索引(找到)virtual table,然后在virtual table中获取到虚基类的偏移(virtual base offset, vbase),然后在left指针上加上这个偏移量,这样我们就获取到了Bottom类中Top类的开始地址。
从上图中,我们可以看到对于Left指针,它的virtual base offset是20,如果我们假设Bottom中每个成员都是4字节大小,那么Left指针加上20字节正好是成员a的地址。
我们同样可以用相同的方式访问Bottom中Right部分。
1 Bottom*bottom=newBottom();
2 Right*right=bottom;
3 int p=right->a;
right指针就会指向在Bottom对象中相应的位置。
这里对于p的赋值语句最终会被编译成和上述left相同的方式访问a。
唯一的不同是就是vptr,我们访问的vptr现在指向了virtual table另一个地址,我们得到的virtual base offset也变为12。
我们画图总结下:
当然,关键点在于我们希望能够让访问一个真正单独的Right对象也如同访问一个经过upcasted(到Right对象)的Bottom对象一样。
这里我们也在Right对象中引入vptrs。
OK,现在这样的设计终于让我们可以通过一个Right指针访问Bottom对象了。
不过,需要提醒的是以上设计需要承担一个相当大的代价:
我们需要引入虚函数表,对象底层也必须扩展以支持一个或多个虚函数指针,原来一个简单的成员访问现在需要通过虚函数表两次间接寻址(编译器优化可以在一定程度上减轻性能损失)。
Downcasting
如我们猜想,将一个指针从一个派生类到一个基类的转换(casting)会涉及到在指针上添加偏移量。
可能有朋友猜想,downcasting一个指针仅仅减去一些偏移量就行了吧。
实际上,非虚继承情况下确实是这样,但是,对于虚继承来说,又不得不引入其它的复杂问题。
这里我们在上面的例子中添加一些继承关系:
1 classAnotherBottom:
publicLeft,publicRight
2 {
3 public:
4 int e;
5 int f;
6 };
这
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