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C++虚基类改变派生类内存大小的机制

2024-09-291.2k 阅读

C++虚基类改变派生类内存大小的机制

一、C++ 继承体系基础回顾

在深入探讨虚基类对派生类内存大小的影响之前，我们先来回顾一下 C++ 中普通继承的相关知识。在 C++ 中，当一个类 Derived 从另一个类 Base 继承时，Derived 类对象会包含 Base 类对象的所有成员（除了构造函数、析构函数和赋值运算符）。例如：

class Base {
public:
    int baseData;
};

class Derived : public Base {
public:
    int derivedData;
};

在上述代码中，Derived 类对象的内存布局是先包含 Base 类对象的内存布局，接着是 Derived 类自己新增的成员 derivedData。如果我们在代码中创建一个 Derived 类对象：

Derived d;

那么 d 的内存布局大致如下（假设 int 类型占 4 个字节）：

内存区域内容大小（字节）
起始位置baseData4
偏移 4 字节derivedData4

所以，sizeof(Derived) 的值为 8 字节。

二、多继承中的内存布局问题

当涉及到多继承时，情况变得更为复杂。例如，假设有如下代码：

class Base1 {
public:
    int base1Data;
};

class Base2 {
public:
    int base2Data;
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    int derivedData;
};

Derived 类从 Base1 和 Base2 两个类继承。此时 Derived 类对象的内存布局为：先存放 Base1 类对象的成员，接着是 Base2 类对象的成员，最后是 Derived 类自己的成员。

内存区域内容大小（字节）
起始位置base1Data4
偏移 4 字节base2Data4
偏移 8 字节derivedData4

所以，sizeof(Derived) 的值为 12 字节。

然而，当出现菱形继承结构时，会引发一些问题。比如：

class GrandBase {
public:
    int grandBaseData;
};

class Base1 : public GrandBase {
public:
    int base1Data;
};

class Base2 : public GrandBase {
public:
    int base2Data;
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    int derivedData;
};

在这种菱形继承结构中，Derived 类对象会包含两份 GrandBase 类对象的成员，一份来自 Base1 路径，另一份来自 Base2 路径。这不仅浪费了内存空间，还可能导致命名冲突等问题。此时 Derived 类对象的内存布局大致如下：

内存区域内容大小（字节）
起始位置grandBaseData（来自 Base1 路径）4
偏移 4 字节base1Data4
偏移 8 字节grandBaseData（来自 Base2 路径）4
偏移 12 字节base2Data4
偏移 16 字节derivedData4

sizeof(Derived) 的值为 20 字节，很明显内存空间被浪费了。

三、虚基类的引入及内存布局改变

为了解决菱形继承带来的重复数据问题，C++ 引入了虚基类。当在继承关系中使用 virtual 关键字修饰基类时，这个基类就成为了虚基类。例如：

class GrandBase {
public:
    int grandBaseData;
};

class Base1 : virtual public GrandBase {
public:
    int base1Data;
};

class Base2 : virtual public GrandBase {
public:
    int base2Data;
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    int derivedData;
};

在上述代码中，GrandBase 成为了虚基类。此时 Derived 类对象的内存布局发生了改变。编译器会采用一种特殊的机制来确保虚基类的成员在派生类对象中只出现一次。

具体来说，在包含虚基类的继承体系中，派生类对象的内存布局通常包含一个指向虚基类子对象的指针（也称为虚基表指针，vbtptr）。这个指针指向一个虚基表（vbtable），虚基表中存储了虚基类子对象相对于派生类对象起始地址的偏移量等信息。

以 Derived 类对象为例，其内存布局大致如下（假设指针占 8 字节，int 类型占 4 字节）：

内存区域内容大小（字节）
起始位置vbtptr（指向 Base1 的虚基表）8
偏移 8 字节base1Data4
偏移 12 字节vbtptr（指向 Base2 的虚基表）8
偏移 20 字节base2Data4
偏移 24 字节derivedData4
根据虚基表偏移grandBaseData4

从上述内存布局可以看出，GrandBase 类的成员 grandBaseData 只出现了一次，通过虚基表指针和虚基表来确定其在 Derived 类对象中的位置。sizeof(Derived) 的值为 32 字节（假设指针为 8 字节）。虽然引入虚基类指针增加了一定的内存开销，但避免了重复数据带来的更大内存浪费。

四、虚基类内存布局在不同编译器中的实现差异

不同的编译器在实现虚基类的内存布局时可能会存在一些差异。以 GCC 和 Visual C++ 为例：

1. GCC 编译器

在 GCC 编译器中，虚基类指针（vbtptr）通常位于派生类对象的起始位置。虚基表（vbtable）中存储了虚基类子对象相对于派生类对象起始地址的偏移量等信息。例如，对于前面的菱形继承结构：

class GrandBase {
public:
    int grandBaseData;
};

class Base1 : virtual public GrandBase {
public:
    int base1Data;
};

class Base2 : virtual public GrandBase {
public:
    int base2Data;
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    int derivedData;
};

GCC 编译器生成的 Derived 类对象内存布局可能如下：

内存区域内容大小（字节）
起始位置vbtptr（指向 Base1 的虚基表）8
偏移 8 字节base1Data4
偏移 12 字节vbtptr（指向 Base2 的虚基表）8
偏移 20 字节base2Data4
偏移 24 字节derivedData4
根据虚基表偏移grandBaseData4

2. Visual C++ 编译器

在 Visual C++ 编译器中，虚基类指针的位置和虚基表的结构可能与 GCC 有所不同。Visual C++ 可能会将虚基类指针放在更靠近虚基类子对象的位置，并且虚基表的内容和格式也可能存在差异。但总体上，都是通过虚基表指针和虚基表来确保虚基类子对象在派生类对象中只出现一次。

五、虚基类对内存大小影响的深入分析

  1. 额外指针开销：从前面的内存布局示例可以看出，引入虚基类后，派生类对象会增加至少一个虚基类指针（vbtptr）。如果有多个虚基类路径（如上述菱形继承结构中的 Base1 和 Base2 都从虚基类 GrandBase 继承），则会增加多个虚基类指针。每个指针通常占用一定的字节数（如 64 位系统中指针通常占 8 字节），这直接导致了派生类对象内存大小的增加。

  2. 虚基表开销：虚基表本身也占用一定的内存空间。虚基表中存储了虚基类子对象相对于派生类对象起始地址的偏移量等信息。虽然虚基表的大小相对固定，但在一些复杂的继承体系中，多个虚基表的存在也会对整体内存使用产生影响。

  3. 避免重复数据节省内存：尽管虚基类引入了额外的指针和虚基表开销，但它避免了菱形继承中重复数据带来的内存浪费。在前面的菱形继承示例中，若不使用虚基类，Derived 类对象会包含两份 GrandBase 类对象的成员，使用虚基类后只保留一份，从而在一定程度上节省了内存。

  4. 多层继承和复杂结构的影响：在多层继承和复杂的继承结构中，虚基类的内存布局和对派生类内存大小的影响会更加复杂。例如，如果有多层虚继承，可能会有多个虚基表指针和虚基表，并且虚基表之间的关系和数据结构也会变得复杂。但总体原则仍然是通过虚基表指针和虚基表来确保虚基类子对象在派生类对象中的唯一性，同时引入一定的额外开销。

六、代码示例及内存大小验证

#include <iostream>

class GrandBase {
public:
    int grandBaseData;
};

class Base1 : virtual public GrandBase {
public:
    int base1Data;
};

class Base2 : virtual public GrandBase {
public:
    int base2Data;
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    int derivedData;
};

class NonVirtualDerived : public Base1, public Base2 {
public:
    int nonVirtualDerivedData;
};

int main() {
    std::cout << "Size of GrandBase: " << sizeof(GrandBase) << " bytes" << std::endl;
    std::cout << "Size of Base1: " << sizeof(Base1) << " bytes" << std::endl;
    std::cout << "Size of Base2: " << sizeof(Base2) << " bytes" << std::endl;
    std::cout << "Size of Derived with virtual inheritance: " << sizeof(Derived) << " bytes" << std::endl;

    std::cout << "Size of NonVirtualDerived without virtual inheritance: " << sizeof(NonVirtualDerived) << " bytes" << std::endl;

    return 0;
}

在上述代码中，我们定义了一个包含虚基类的继承体系 GrandBase - Base1/Base2 - Derived，以及一个不使用虚基类的类似继承体系 GrandBase - Base1/Base2 - NonVirtualDerived。通过 sizeof 运算符，我们可以验证不同类对象的内存大小。在 64 位系统中，运行上述代码可能会得到如下输出：

Size of GrandBase: 4 bytes
Size of Base1: 16 bytes
Size of Base2: 16 bytes
Size of Derived with virtual inheritance: 32 bytes
Size of NonVirtualDerived without virtual inheritance: 20 bytes

从输出结果可以看出，使用虚基类的 Derived 类对象虽然因为虚基类指针和虚基表的存在增加了一定的内存大小，但避免了重复数据带来的更大内存浪费，相比不使用虚基类的 NonVirtualDerived 类对象，在内存使用上有其独特的优势和权衡。

七、虚基类在实际项目中的应用场景

  1. 图形绘制框架：在图形绘制框架中，可能存在多种形状类，如圆形、矩形等，这些形状类可能都继承自一个基类 Shape。同时，可能有一些特性类，如 Fillable（可填充）、Strokable（可描边）等，也继承自一个公共基类。当一个形状类需要同时具备多种特性时，可能会形成菱形继承结构。使用虚基类可以确保公共基类（如 Shape）的成员在派生类对象中只出现一次，避免重复数据和潜在的冲突。

  2. 游戏开发中的角色系统：在游戏开发中，角色可能具有多种属性和行为。例如，一个角色可能同时是战士、魔法师，而战士和魔法师可能都继承自一个基础角色类。通过虚基类，可以确保基础角色类的成员在具体角色对象（如同时是战士和魔法师的角色）中只出现一次，合理管理内存，并且便于代码的组织和维护。

  3. 数据库访问层设计：在数据库访问层设计中，可能有多种数据库连接类，如 MySQL 连接类、Oracle 连接类等，它们可能都继承自一个通用的数据库连接基类。同时，可能有一些功能类，如事务处理类、数据缓存类等，也继承自一个公共基类。当一个具体的数据库连接对象需要同时具备多种功能时，虚基类可以避免公共基类成员的重复，优化内存使用和代码结构。

八、总结虚基类对派生类内存大小影响的要点

  1. 避免重复数据：虚基类的主要作用是避免菱形继承中公共基类成员的重复，从而在一定程度上节省内存空间，尽管引入了额外的虚基类指针和虚基表开销。
  2. 额外指针和表开销：派生类对象会增加虚基类指针（vbtptr），其数量取决于虚基类路径的数量。虚基表（vbtable）也占用一定内存，用于存储虚基类子对象的偏移量等信息。
  3. 编译器实现差异：不同编译器在虚基类的内存布局实现上可能存在差异，包括虚基类指针的位置和虚基表的结构等，但总体目的都是确保虚基类子对象的唯一性。
  4. 实际应用权衡：在实际项目中，需要根据具体的继承结构和内存使用需求来权衡是否使用虚基类。如果继承结构简单且重复数据带来的内存浪费不严重，可能不需要使用虚基类；但在复杂的继承体系中，虚基类可以有效优化内存使用和代码结构。

通过深入理解虚基类改变派生类内存大小的机制，开发者可以在编写代码时做出更合理的决策，优化程序的内存使用和性能。无论是在小型项目还是大型系统开发中，对这一机制的掌握都有助于编写出高效、健壮的 C++ 代码。