Data 语义学(2)

四、"继承"与 Data Member

　　(1). 只有继承没有多态

　　先来看个例子　　

 #include <iostream>
 
 using namespace std;
 
 class A
 {
 public:
     //
 private:
     int val;
     char c1;
     char c2;
     char c3;
 };
 
 int main()
 {
     cout << sizeof(A) << endl;
     return ;
 }

　　输出的结果是 8 ，这个比较容易理解：

　　　　a. val 占用 4 bytes。

　　　　b. c1,c2,c3各占 1 byte，3 个 bytes。

　　　　c. 边界调整(alignment)---调整到 word 需要 1 byte

　　一共 8 个！那么在看下面这个例子：

　　

 #include <iostream>
 
 using namespace std;
 
 class A
 {
 public:
     //
 private:
     int val;
     char c1;
 };
 
 class B: public A
 {
 public:
     //
 private:
     char c2;
 };
 
 class C: public B
 {
 public:
     //
 private:
     char c3;
 };
 
 int main()
 {
     cout << sizeof(C) << endl;
     return ;
 }

　　这下输出结果是多少呢？可以肯定的是，C中也含有 val、c1、c2 和  c3，那么输出结果是不是也是 8呢？当然不是，是 16 ！为什么呢？解释如下：

　　C++ 规定出现在 derived class 中的 ”base class subobject“ 有其完整原样性。我们从下至上看看各个类在内存中的布局！

　　class A 中含有两个变量 val 和 c1，其中 val 占有 4 个 bytes，c1 占有 1 个byte加起来 5 个 bytes。再加上边界调整填补 3 bte，实际会占用 8 byte。

　　class B 继承了 class A 并增加了一个自己的 nonstatic data member c2，类型时 char，占有 1 byte，轻率的程序员会以为：c2 会 c1 放到一起构成 2 bytes，这样内存补齐只需补 2 bytes，class B的大小应该还是 8 bytes。然而，class B 的 c2 是被放在 class A 所填补的 3 bytes 的后面，此时 class B 的大小是 9 bytes ，在进行边界调整填补 3 bytes，实际会占用 12 bytes。同样 class C 的大小是 16 bytes ，class B 的大小 + c3 + 边界调整！下图会让你一目了然：

　　 图 1

　　很多人会认为这种做法很愚蠢，在 class B 继承 A 的时候，将 c1 和 c2 放在一起，填补 2 bytes，在 class C 继承 class B 的时候，将 c1、c2 和 c3放到一起，填补 1 byte，这样 class A、class B、class C 的大小都是 8 bytes，比之前那样省很多空间！！！事实上是如此吗？这种做法会破坏C++中规定的 “出现在 derived class 中的 ”base class subobject“ 有其完整原样性”，会是一些代码导致致命的错误，不信你看：

　　加入我们声明以下一组指针：

　　　　B *pb;

　　　　A *pa1,*pa2;// 这两个指针可以用来指向 class A,B,C。

　　如果执行操作：

　　　　*pa1 = *pa2;

　　应该执行一个默认的“memberwise”复制操作（复制一个个的 members）对象是值得 class A 的那部分哦。如果 pa1指向一个 class B 或 class C ，那么就会将 pa2 所指的内容中 class A 的部分复制给 class B 或 class C 的 class A 的部分！如果将 A、B 和 C 的c1、c2 和 c3 捆版到一起，去填补空间，上述那些语义就没办法保留了！由于捆绑而导致的内存复制出现错误，请看下图，会更容易理解：

　　

　　所以知道，C++设计者们为什么宁愿浪费空间而不那么做的原因了吧？

　　(2) 加上多态

　　加上多态之后会使很多操作起来更有方便性，使动作在运行期决定。这使得 class 更加完美，但我们必须维持付出代价：

　　　　a. 导入一个相关的 virtual table，用来存放他 class 所声明的每一个 virtual function 的地址。这个 table 元素的个数 = virtual function 的数目 + 1 或 2（用以支持 runtime identification）

　　　　b. 在每一个 class object 中导入一个 vptr ，提供执行期的连接，使每个 object 能够找到相应的 virtual table。

　　　　c. 加强 destructor，使它能够销毁那个被安插进去的 vptr。

　　那这个指针到底放在哪呢？看如下代码：　

 class A
 {
 public:
     int num;
     virtual void fun(){};
 }
 
 class B
 {
 public:
     int num;
     int num1;
     virtual void fun(){}
 }

　　这时 class A 和 class B 的布局可能是这样：

　　 也有可能是这样   

　　如果我对 class A 和 class B 进行如下该写，那么 A 和 B 的布局又会是什么样子呢？

　　该写如下：

　　

  class A
  {
  public:
      int num;
      virtual void fun(){};
  }
 
  class B: public A
  {
 public:
     int num1;
     virtual void fun(){}
 }

　　那么 class A 和 class B 的布局会如下：

　　  图2 还有可能。。。另外一种就不画了，只是把vptr 移到 num 上去罢了！

　　从这个图中可以发现什么？对无论继承多少次 vptr 在所有的 base class 或者 derived class 中都只有一份！并且位置都相同，但是他们（vptr）指向的 virtual table 不相同哦！都指向内存中各自的 virual table 调用时分别从各自的 virtual table 中找 virtual functions 的地址进行调用！实现了多态的机制哦！

　　(3). 多重继承

　　还是先来看几个类的定义：　　　　

 class base1
 {
 public:
     // something
 protected:
     float fb1;
 };
 
 class dbase1: public base
 {
 public :
     // something
 protected:
     float fdb1;
 };
 
 class base2
 {
 public:
     // something
 protected:
     float fb2;
 };
 
 class Topclass :public dbase1,public base2
 {
 public:
     // something
 private:
     float muble;
 };

　　他们的关系图如下

　　　　图 3

　　他们在内存中的布局图如下（假设他们都有虚函数哈，给他们画了 vptr 指针）：

　　 图4

　　由他们的内存布局图可知，在class Topclass 中取 class base1 和 class dbase1 的时候可以直接取到，而取class base2就必需要做相应的转化了。请看下面的例子：

　　　　Toplass tc;

　　　　base1   *b1;

　　　　dbase1 *db;

　　　　base2  *b2;

　　如果是 b1 = &tc或 db = &tc都是和单继承一样的；但如果是 b2 = &tc的操作就需要相应的转化咯，如下：

　　　　pv = ((Topclass *)((char *) &tc)) + sizeof( dbase2);

　　而如果将 tc定义成 Topclass *tc;呢？那么相应的操作是否是 pv = ((Topclass *)((char *) tc)) + sizeof( dbase2);呢？只能说你这样对了一半，应该是这样：

　　　　pv = tc ? ((Topclass *)((char *) &tc)) + sizeof( dbase2) : 0;

　　因为 tc 有可能是空指针哦。至于 reference 就不会这样了，因为不可能有一个空的引用！

　　(4). 虚拟继承

　　//一下可能有误，回头看

　　之前我们就对虚拟继承的内存比较好奇，而且在我的博文中未讲，我们只知道会生成一个指针和一个 virtual base classs table 那这些东西到底是什么样子呢？今天将详细的展示给你们看：

 #include <iostream>
 
 using namespace std;
 
 class A
 {
 public:
     //
     virtual void foo(){};
 private:
     int val;
 };
 
 class B:  public A
 {
 public:
     //virtual void foo(){}
 private:
 
 };
 
 int main()
 {
     cout << sizeof(A) << endl;
     cout << sizeof(B) << endl;
     return ;
 }

　　以上是一个一般继承的代码，程序输出的结果大家也知道是什么了，是 8 和 8，他们内存布局图也就是我们"(2)加上多态"图 2 所画的那样。那么我稍作如下修改：

 #include <iostream>
 
 using namespace std;
 
 class A
 {
 public:
     //
     virtual void foo(){};
 private:
     int val;
 };
 
 class B: virtual public A　　//这里将继承改成了虚拟继承
 {
 public:
     //virtual void foo(){}
 private:
 
 };
 
 int main()
 {
     cout << sizeof(A) << endl;
     cout << sizeof(B) << endl;
     return ;
 }

这个代码将输出什么呢？结果却变成了 8 和 12 啦，为什么呢？我画一下虚拟继承后的他们的内存布局：

　　 图 5

　　你将这幅图和上面"(2)加上多态"那里画的图 2 对比一下，会发现这里会多了一个 _vptr_B 指针啦(我将上面的 _vptr 后面 加上了 _A 或 _B 以区别他们，这个没影响)。这也就是为什么上面第二个代码输出的结果是 8 和 12 了。那为什么要这么做呢？以下是我通过 vc 调试和书上所述的方式总结出来的：

　　我们之前都有说过 virtual base class 是虚基类它在 derived class 中访问并不能像其他，而是另外安插了一个指针，该指针指向一个 virtual base class table 这个表放的是 virtual base class 在 derived class 中的 offset ！这个指针就是上面所说的 _vptr_B。（在我的 VC 下）这个 _vptr_B 有两个作用：第一、用来指向 class B 的 virtual function table 。第二、用来指向 class B 的 virtual base class。有人说一个指针怎么会指向两个表呢？请看下图：

　　 图 6

　　看上图明白了吧？virtual function table 和 virtual base class table 首地址是同一个。两个表合到一起了，我们就叫 virtual function table ，表的首地址在分界处，当取正索引时，取的是 VFT slots ，当取负索引时，取的是 VBC offset。这样就可以方便的访问虚基类和实现多态了！VBC offset 是指virtual base class 在 derived class中的偏移量哦！---不过大家注意了，这只是 VC 下的一个用来共享虚基类的一种方法，别的编译器可能不是采用这种方法。但是都大同小异了，都是为了能够方便的在 derived class 中访问共享的 virtual base class！