【C++拾遺】 從記憶體佈局看C++虛繼承的實現原理
原創作品，轉載請標明：http://blog.csdn.net/xiejingfa/article/details/48028491
準備工作
1、VS2012使用命令列選項檢視物件的記憶體佈局
微軟的Visual Studio提供給使用者顯示C++物件在記憶體中的佈局的選項：/d1reportSingleClassLayout。使用方法很簡單，直接在[工具(T)]選項下找到“Visual Studio命令提示(C)”後點擊即可。切換到cpp檔案所在目錄下輸入如下的命令即可
c1 [filename].cpp /d1reportSingleClassLayout[className]
其中[filename].cpp就是我們想要檢視的class所在的cpp檔案，[className]指我們想要檢視的class的類名。（下面舉例說明...）
2、檢視普通多繼承子類的記憶體佈局
既然我們今天講的是虛基類和虛繼承，我們就先用上面介紹的命令提示工具檢視一下普通多繼承子類的記憶體佈局，可以跟後文虛繼承子類的記憶體佈局情況加以比較。
我們新建一個名叫NormalInheritance的cpp檔案，輸入一下內容。
/**
普通繼承（沒有使用虛基類）
*/
// 基類A
class A
{
public:
int dataA;
};
class B : public A
{
public:
int dataB;
};
class C : public A
{
public:
int dataC;
};
class D : public B, public C
{
public:
int dataD;
};
上面是一個簡單的多繼承例子，我們啟動Visual Studio命令提示功能，切換到NormalInheritance.cpp檔案所在目錄，輸入一下命令：
c1 NormalInheritance.cpp /d1reportSingleClassLayoutD
我們可以看到class D的記憶體佈局如下：
從類D的記憶體佈局可以看到A派生出B和C，B和C中分別包含A的成員。再由B和C派生出D，此時D包含了B和C的成員。這樣D中就總共出現了2個A成員。大家注意到左邊的幾個數字，這幾個數字表明瞭D中各成員在D中排列的起始地址，D中的五個成員變數（B::dataA、dataB、C::dataA、dataC、dataD）各佔用4個位元組，sizeof(D) = 20。
為了跟後文加以比較，我們再來看看B和C的記憶體佈局：
虛繼承的記憶體分佈情況
上面我們看到了普通多繼承子類的記憶體分佈情況，下面我們進入主題，來看看典型的菱形虛繼承子類的記憶體分佈情況。
我們新建一個名叫VirtualInheritance的cpp檔案，輸入一下內容：
/**
虛繼承（虛基類）
*/
#include <iostream>
// 基類A
class A
{
public:
int dataA;
};
class B : virtual public A
{
public:
int dataB;
};
class C : virtual public A
{
public:
int dataC;
};
class D : public B, public C
{
public:
int dataD;
};
VirtualInheritance.cpp和NormalInheritance.cpp的不同點在與C和C繼承A時使用了virtual關鍵字，也就是虛繼承。同樣，我們看看B、C、D類的記憶體佈局情況：
我們可以看到，菱形繼承體系中的子類在記憶體佈局上和普通多繼承體系中的子類類有很大的不一樣。對於類B和C，sizeof的值變成了12，除了包含類A的成員變數dataA外還多了一個指標vbptr，類D除了繼承B、C各自的成員變數dataB、dataA和自己的成員變數外，還有兩個分別屬於B、C的指標。
那麼類D物件的記憶體佈局就變成如下的樣子：
vbptr：繼承自父類B中的指標
int dataB：繼承自父類B的成員變數
vbptr：繼承自父類C的指標
int dataC：繼承自父類C的成員變數
int dataD：D自己的成員變數
int A：繼承自父類A的成員變數
顯然，虛繼承之所以能夠實現在多重派生子類中只儲存一份共有基類的拷貝，關鍵在於vbptr指標。那vbptr到底指的是什麼？又是如何實現虛繼承的呢？其實上面的類D記憶體佈局圖中已經給出答案：
實際上，vbptr指的是虛基類表指標（virtual base table pointer），該指標指向了一個虛表（virtual table），虛表中記錄了vbptr與本類的偏移地址；第二項是vbptr到共有基類元素之間的偏移量。在這個例子中，類B中的vbptr指向了虛表D::$vbtable@B@，虛表表明公共基類A的成員變數dataA距離類B開始處的位移為20，這樣就找到了成員變數dataA，而虛繼承也不用像普通多繼承那樣維持著公共基類的兩份同樣的拷貝，節省了儲存空間。
為了進一步確定上面的想法是否正確，我們可以寫一個簡單的程式加以驗證：
int main()
{
D* d = new D;
d->dataA = 10;
d->dataB = 100;
d->dataC = 1000;
d->dataD = 10000;
B* b = d; // 轉化為基類B
C* c = d; // 轉化為基類C
A* fromB = (B*) d;
A* fromC = (C*) d;
std::cout << "d address : " << d << std::endl;
std::cout << "b address : " << b << std::endl;
std::cout << "c address : " << c << std::endl;
std::cout << "fromB address: " << fromB << std::endl;
std::cout << "fromC address: " << fromC << std::endl;
std::cout << std::endl;
std::cout << "vbptr address: " << (int*)d << std::endl;
std::cout << " [0] => " << *(int*)(*(int*)d) << std::endl;
std::cout << " [1] => " << *(((int*)(*(int*)d)) + 1)<< std::endl; // 偏移量20
std::cout << "dataB value : " << *((int*)d + 1) << std::endl;
std::cout << "vbptr address: " << ((int*)d + 2) << std::endl;
std::cout << " [0] => " << *(int*)(*((int*)d + 2)) << std::endl;
std::cout << " [1] => " << *((int*)(*((int*)d + 2)) + 1) << std::endl; // 偏移量12
std::cout << "dataC value : " << *((int*)d + 3) << std::endl;
std::cout << "dataD value : " << *((int*)d + 4) << std::endl;
std::cout << "dataA value : " << *((int*)d + 5) << std::endl;
}
得到結果為：
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作者：Fred^_^
來源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/Xiejingfa/article/details/48028491
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