C++ 多重继承的内存布局和指针偏移
在 C++ 程序里，在有多重继承的类里面。指向派生类对象的基类指针，其实是指向了派生类对象里面，该基类对象的起始位置，该位置相对于派生类对象可能有偏移。偏移的大小，等于派生类的继承顺序表里面，排在该类前面的所有的类的数据成员（含虚表指针）所占的空间大小总和。
下面以一个简单的程序为例，揭示有多重继承关系的派生类对象的内存布局：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 | #include <stdio.h> #pragma pack(4) class A { void foo() {} }; class B { public: virtual void func() {}; private: int b; }; class C { int c; }; class D : public A, public B, public C { public: void func() override {}; private: int d; }; int main(int argc, const char* argv[]) { D* pd = new D(); A* pa = p; B* pb = p; C* pc = p; printf("pd=%p, pa=%p, pb=%p, pc=%p\n" "sizeof(A)=%zd\n" "sizeof(B)=%zd\n" "sizeof(C)=%zd\n" "sizeof(D)=%zd\n", pd, pa, pb, pc, sizeof(A), sizeof(B), sizeof(C), sizeof(D)); return 0; } |
注意该程序用 #pragma pack 指令指示数据在内存中按 4 字节来对齐。在 x64 平台上编译执行结果：
1 2 3 4 5 6 7 | $ g++ test.cc -std=c++11 $ ./a.out pd=0x10c0010, pa=0x10c0010, pb=0x10c0010, pc=0x10c001c sizeof(A)=1 sizeof(B)=12 sizeof(C)=4 sizeof(D)=20 |
我们首先来分析这四个类的大小。
A 只有一个普通函数成员 foo，没有任何数据成员，是一个空类，其大小为 1 字节。之所以空类大小不为零，是需要标识类对象在内存中的位置，这 1 字节空间仅作占位用，不代表任何意义。
B 有一个成员变量 int b 和一个虚函数成员 func，其中 b 的大小为 4 字节。 由于存在虚函数，因此 B 类起始位置有一个虚表指针(vptr)，在 64 平台上指针的大小为 8 字节。因此 B 的大小为 4 + 8 = 12 字节。
C 仅有一个成员变量 int c，因此其大小也就为 4 字节。
D 继承自A, B, C，它的大小等于 A, B, C 的所有数据成员的大小，加上其自身的数据成员和虚表指针的总的大小：4(b) + 4(c) + 4(d) + 8(vptr) = 20 字节。
注意：在 D 的继承关系链里面，只有基类 B 有虚函数，因此对于 D 对象而言，总体只有一个虚表指针，也就是（B）基类对象中的虚表指针。如果派生类的多个基类都有虚函数，则对应每个有虚函数的基类，在派生类对象里都有一个虚表指针。
因此，对于分析派生类 D 的对象，其内存布局如下：
分析结果与程序运行结果一致。