关于 C++ 中的多重继承、虚拟基类和对象大小的问题

Question

以下代码打印 20，即 sizeof(z) 为 20。

#include <iostream.h>
class Base
{
      public:
            int a;
};

class X:virtual public Base
{
      public:
            int x;
};

class Y:virtual public Base
{
      public:
            int y;
};

class Z:public X,public Y
{
};

int main()
{
Z z;
cout << sizeof(z) <<endl;
}

而如果我在这里不使用虚拟基类，即对于以下代码： sizeof(z) 是 16。

#include <iostream.h>
class Base
{
      public:
            int a;
};

class X:public Base
{
      public:
            int x;
};

class Y:public Base
{
      public:
            int y;
};

class Z:public X,public Y
{
};

int main()
{
Z z;
cout << sizeof(z) <<endl;
}

为什么在第一种情况下 sizeof(z) more(20) ？ 不应该是 12，因为 Base 将被包括在内 在 Z 中只有一次？

Answer 1

额外的大小可能是因为虚拟类和多重继承分配了额外的 VTables (http://en.wikipedia.org/wiki/Vtable)。

Answer 2

我们来看看这两个案例的类布局。

没有虚拟，你有两个基类（“X”和“Y”），每个基类都有一个整数，每个类都集成了一个“基”基类，它也有一个整数。那是 4 个整数，每个 32 位，总共 16 个字节。

Offset  Size  Type  Scope  Name
     0     4   int   Base     a
     4     4   int      X     x
     8     4   int   Base     a
    12     4   int      Y     y
    16 size (Z members would come at the end)

（编辑：我在 DJGPP 中编写了一个程序来获取布局并调整表格以解决它。）

现在让我们谈谈虚拟基类：它们用指向共享实例的指针替换类的实际实例。您的“Z”类只有一个“Base”类，“X”和“Y”的两个实例都指向它。因此，您在 X、Y 和 Z 中有整数，但只有一个 Z。这意味着您有三个整数，即 12 个字节。但是 X 和 Y 也有一个指向共享 Z 的指针（否则他们不知道在哪里找到它）。在 32 位机器上，两个指针将额外增加 8 个字节。这总计您看到的 20 个。内存布局可能看起来像这样（我还没有验证过...... ARM 有一个示例，其中顺序是 X、Y、Z，然后是 Base）：

Offset  Size        Type  Scope  Name  Value (sort of)
     0     4 Base offset      X     ?  16 (or ptr to vtable)
     4     4         int      X     x
     8     4 Base offset      Y     ?  16 (or ptr to vtable)
    12     4         int      Y     y
    16     4         int   Base     a
    20 size (Z members would come before the Base)

所以内存差异是两件事的结合：少一个整数和多两个指针。与另一个答案相反，我不相信 vtables 支付任何（编辑）直接（/编辑）滚动，因为没有虚拟功能。

编辑：ppinsider 提供了有关 gcc 案例的更多信息，他在其中演示了 gcc 通过使用否则为空的 vtable（即，没有虚函数）来实现指向虚拟基类的指针。这样，如果有虚函数，它就不需要类实例中的额外指针，需要更多内存。我怀疑缺点是额外的间接访问基类。

我们可能期望所有编译器都这样做，但也许不是。 ARM 第 225 页讨论了虚拟基类，但未提及 vtable。第 235 页专门针对“具有虚拟函数的虚拟基类”，并有一个图表指示内存布局，其中 X 和 Y 部分的指针与指向 vtable 的指针是分开的。我建议任何人不要想当然地认为指向 Base 的指针将以表的形式实现。

Answer 3

Mark Santesson 的回答几乎是在金钱上，但没有 vtables 的断言是不正确的。您可以使用 g++ -fdump-class-hierarchy 来显示正在发生的事情。这是没有虚拟的情况：

Class Base
   size=4 align=4
   base size=4 base align=4
Base (0x19a8400) 0

Class X
   size=8 align=4
   base size=8 base align=4
X (0x19a8440) 0
  Base (0x19a8480) 0

Class Y
   size=8 align=4
   base size=8 base align=4
Y (0x19a84c0) 0
  Base (0x19a8500) 0

Class Z
   size=16 align=4
   base size=16 base align=4
Z (0x19b1800) 0
  X (0x19a8540) 0
    Base (0x19a8580) 0
  Y (0x19a85c0) 8
    Base (0x19a8600) 8

请特别注意“基本尺寸”参数。现在是虚拟案例，并且只显示 Z：

Class Z
   size=20 align=4
   base size=16 base align=4
Z (0x19b3000) 0
    vptridx=0u vptr=((& Z::_ZTV1Z) + 12u)
  X (0x19a8840) 0
      primary-for Z (0x19b3000)
      subvttidx=4u
    Base (0x19a8880) 16 virtual
        vbaseoffset=-0x0000000000000000c
  Y (0x19a88c0) 8
      subvttidx=8u vptridx=12u vptr=((& Z::_ZTV1Z) + 24u)
    Base (0x19a8880) alternative-path

注意“base size”是一样的，但是“size”多了一个指针，注意现在多了一个vtable指针！这又包含父类的构造 vtable，以及所有类间魔法（构造 vtable 和虚拟表 (VTT)），如下所述：

http://www.cse.wustl.edu/~mdeters/seminar/fall2005/mi.html

请注意，实际的函数调度 vtable 将为空。