深入探索C++物件模型-（四）data語義學

1. 在只有繼承沒有多型的情況下，子類是的內容就是父類加上子類特有的資料成員，例如，對於如下兩個類，Point2d和Point3d，後者公有繼承自前者，此時的資料佈局如下所示：

在某些情況下，把一個類分解成多層，可能會導致類所佔用空間的膨脹，例如，如下類，算上對齊操作大小為8 （4 + 1 + 1+1 +(1對齊)）：

而如果相同的資料（val，c1，c2，c3），被分散的放入繼承體系之中，現在一個包含所有這些資料的類Concrete3的大小就膨脹到了16，這是因為上面的無繼承的類設計中，只有一個位元組被用來對齊，而此種繼承體系之下，有9個位元組被用來對齊：

這時的類的佈局如下：

為什麼不把Concrete2和Concrete3的資料填補到Concrete1用於對齊的空間中呢？原因時，在此種情況下，當發生Concrete1的複製操作時，會破壞Concrete2的內容：

2. 加入多型時的情況，例如，街上上述的例子，對於Point2d，現在加入幾個虛擬函式，用以支援多型特性：

此時會帶來額外的空間以及存取時間上的額外負擔：

a. 虛擬函式表會被產生出來（virtual table）。

b. 每一個類物件中會加入一個指向上述虛表的指標（vptr）。

c. 加強建構函式，使之可以為vptr設定初值。

d. 加強解構函式，使之可以清除指向虛擬函式表的vptr。

此時的類的記憶體佈局會增加一個指向虛表的指標（該指標可能放在頭部也可能放在尾部）：

3. 多種繼承的情況，在單繼承中，可以看到，基類和子類的物件都是從相同的地址開始的，差異只是子類比較大，例如以下操作，

以基類指標指向子類指標並不需要修改地址，多重繼承則不一樣，因為第二個乃至後面的基類起始地址與對應基類的地址並不一樣，例如對於如下繼承體系以及對應的記憶體佈局：

從上圖看以看出，最左端基類（P2d和P3d）的起始地址和子類V3d是一樣的，而之後的基類Vertex則和子類不一致，因此，對於如下物件和指標：

如下的賦值操作：pv = v3d; 需要內部轉化為：pv = (Vertex*)(((char*)&v3d) + sizeof(Point3d));即需要偏移才可以指向子類中對應的該基類的部分，而對於如下賦值：p2d = &v3d;p3d = &v3d; 則不需要任何調整。

如果要存取第二個或者後繼基類中的一個資料成員，並不需要額外負擔，因為資料成員的位置在編譯時期就固定了，因此存取只是一個簡答的位移（offset）運算，並不需要額外成本。

4. 虛擬繼承的情況，考慮如下繼承體系，Vertex和Point3d虛擬繼承自Point2d，Vertex3d共有繼承(非虛繼承)自Vertex和Point3d

a. 此時必須有在子類物件中安插指標指向虛基類，一種可能的佈局如下，子類需要維護指向虛基類地址的指標，此種策略下，對於Point3d運算子：

會被轉化為（必須判斷pv3d是否為空，否則可能導致不正確的賦值）：

b. 另一種策略是將虛基類的偏移量（而不是地址）存入虛表中（以下例子中，虛表中的正值索引會索引到虛擬函式地址，負值索引會索引到虛基類偏移量），也就是與虛擬函式放到一個表中，針對上例，此種策略下可能的佈局如下，此種策略下，上述+=運算子會被轉化為：

會轉化為：

由於虛擬繼承的存在帶來了額外的負擔以及高度的複雜性，所以，一般而言，“虛基類的最有效的運用形式就是：一個抽象的虛基類，沒有任何資料成員。”

類B和類C通過虛繼承的方式派生自類A，這兩個物件的記憶體佈局中，編譯器在物件中新增了一個vbptr(virtual base pointer)指標，vbptr指向了一張表，這張表儲存了當前的虛指標相對於虛基類的首地址的偏移量。類D派生與類B和類C，繼承了兩個基類的vbptr指標，並調整了vbptr與虛基類的首地址的偏移量,使得這種菱形問題在繼承時只繼承一份資料，並且解決了二義性的問題。

當使用虛繼承時，虛基類是被共享的，也就是在繼承體系中無論被繼承多少次，物件記憶體模型中都只會出現一個虛基類的子物件。

1. 資料成員指標是指指向類資料成員的指標，其內容為對應資料成員在類物件中的偏移量，型別為A::*，例如，如下類：

指向資料成員的指標的使用方法：

2. 多重繼承的情況下，將第二個（或者後繼）基類指標與一個和子類物件繫結的資料成員結合起來時，情況會變得複雜，例如：

此種情況下，必須要考慮Base1存在導致的Base2的偏移，注意判零：func1(bmp ? bmp + sizeof(Base1) : 0, pd );

本文從5段程式碼例項出發。通過類中類的普通繼承，類的虛繼承，類的多重繼承，多個虛擬函式類的普通繼承、虛繼承與多重繼承，幾個交叉概念，具體的闡釋了繼承、虛擬函式與虛繼承的基本概念。深入剖析了繼承於虛繼承的差別於聯絡。

【Exp.001-虛繼承】

#include <stdio.h>

class A {
public:
    int a;
};//sizeof(A)=4

class B : virtual public A {
public:
　　int b;
};//sizeof(B)=4(A副本)+4(虛表指標)+4(自己變數)=12

class C : virtual public B {     
};//sizeof(c)= 12(B副本)+4(虛表指標) = 16，假設這裡改為直接繼承，那麼sizeof(c)=12

int main() {
    printf("%d\n", sizeof(C));    
    return 0; 
}

解析：這裡須要理解虛繼承基類對派生類的空間大小的影響，理解虛指標在虛繼承中為子類帶來了哪些空間的改變。

【Exp.002-多重繼承】

#include <stdio.h>

class A {
public:
    int a;
};//sizeof(A) = 4

class B : virtual public A {
};// sizeof(B) =4+4=8

class C : virtual public A {        
};//sizeof(C) =4+4=8

class D : public B, public C{       
};
//sizeof(D)=8+8-4=12 這裡須要注意要減去4，由於B和C同一時候繼承A，僅僅須要儲存一個A的副本就好了，sizeof(D)=4(A的副本)+4(B的虛表)+4(C的虛表)=12

int main() {
    printf("%d\n", sizeof(D));
    return 0; 
}

解析：這裡須要關注 class D 的資料空間大小，理解多重虛繼承對派生類虛指標以及派生類空間的影響。

【Exp.003-普通繼承（含有：空類、虛擬函式）】

class A   
{   
};  

class B   
{
    char ch;   
    virtual void func0()  {  } 
}; 

class C  
{
    char ch1;
    char ch2;
    virtual void func()  {  }  
    virtual void func1()  {  } 
};

class D: public A, public C
{   
    int d;   
    virtual void func()  {  } 
    virtual void func1()  {  }
};   

class E: public B, public C
{   
    int e;   
    virtual void func0()  {  } 
    virtual void func1()  {  }
};

int main(void)
{
    cout<<"A="<<sizeof(A)<<endl;//result=1  空類所佔空間的大小為 1
    cout<<"B="<<sizeof(B)<<endl;//result=8  1+4   對齊 8 
    cout<<"C="<<sizeof(C)<<endl;//result=8  1+1+4 對齊 8
    cout<<"D="<<sizeof(D)<<endl;//result=12 C的副本+D本身=8+4=12
    cout<<"E="<<sizeof(E)<<endl;//result=20 B的副本+C的副本+E本身=8+8+4=20
    return 0;
}

這裡須要區分一下：

①沒有繼承的時候，存在虛擬函式則須要加上虛指標，假設有多個也僅僅須要加上一個，由於僅僅有一個虛指標；

②對於普通繼承，類D和類E中自己的虛擬函式，大小為0，由於，它沒有虛表。

③對於虛繼承中。派生類中存在一個或多個虛擬函式的時候，它本身就有一個虛表，指向自己的虛表，所以要加4。

【Exp.004-虛繼承（多重繼承和虛擬函式）】

class CommonBase
{
    int co;
};// size = 4

class Base1: virtual public CommonBase          
{
public:
    virtual void print1() {  }
    virtual void print2() {  }
private:
    int b1;
};//4副本+4虛指標+4自身+4(虛繼承+虛擬函式構成指標多一個)=16


class Base2: virtual public CommonBase        
{
public:
    virtual void dump1() {  }
    virtual void dump2() {  }
private:
    int b2;
};//同理16

class Derived: public Base1, public Base2     
{
public:
    void print2() {  }
    void dump2() {  }
private:
    int d;
};//16+16-4+4=32

解析：假設不是虛繼承的類。即便有虛擬函式也不會因此新增儲存空間，假設是虛繼承的類。沒有虛擬函式就加入一個虛指標空間，有虛擬函式不論多少個，就加入兩個虛指標空間。

【Exp.005-虛繼承與虛擬函式】

class A
{
public:
    virtual void aa() {  }
    virtual void aa2() {  }
private:
    char ch[3];
}; // 1+4 = 補齊 = 8

class B: virtual public A
{
public:
    virtual void bb() {  }
    virtual void bb2() {  }
}; // 8（副本）+4(虛繼承)+4（虛指標） = 16

int main(void)
{
    cout<<"A's size is "<<sizeof(A)<<endl;//        4+4=8
    cout<<"B's size is "<<sizeof(B)<<endl;//        A的副本+4+4=16
    return 0;
}

解析：假設不是虛繼承的類。即便有虛擬函式也不會因此新增儲存空間。假設是虛繼承的類。沒有虛擬函式就加入一個虛指標空間，有虛擬函式不論多少個，就加入兩個虛指標空間。

【小結】

重要的事情講三遍！！

。

假設不是虛繼承的類，即便有虛擬函式也不會因此新增儲存空間。假設是虛繼承的類。沒有虛擬函式就加入一個虛指標空間，有虛擬函式不論多少個。就加入兩個虛指標空間。。！