为什么即使不涉及虚函数，虚继承也需要vtable？

Question

我读到了这个问题：C++ Virtual class inheritance object size issue，并且想知道为什么虚拟继承会在类中产生一个额外的 vtable 指针。

我在这里找到一篇文章：https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_inheritance

告诉我们：

但是，在一般情况下，这个偏移量只能在运行时知道，...

我不明白这里与运行时相关的内容。完整的类继承层次结构在编译时是已知的。我了解虚函数和基指针的使用，但是虚继承没有这样的东西。

谁能解释一下为什么某些编译器（Clang/GCC）使用 vtable 实现虚拟继承以及在运行时期间如何使用它？

顺便说一句，我也看到了这个问题：vtable in case of virtual inheritance，但它只指向与虚函数相关的答案，这不是我的问题。

Answer 1

完整的类继承层次结构在编译时是已知的。

确实如此；因此，如果编译器知道最派生对象的类型，那么它就知道该对象中每个子对象的偏移量。为此，不需要 vtable。

例如，如果B 和C 都实际上派生自A，而D 派生自B 和C，则在以下代码中：

D d;
A* a = &d;

从D* 到A* 的转换最多是在地址上添加一个静态偏移量。

但是，现在考虑一下这种情况：

A* f(B* b) { return b; }
A* g(C* c) { return c; }

这里，f 必须能够接受指向任何B 对象的指针，包括可能是D 对象或其他一些最派生类对象的子对象的B 对象。编译f时，编译器并不知道B的全部派生类。

如果B 对象是最派生对象，那么A 子对象将位于某个偏移量处。但是如果B 对象是D 对象的一部分呢？ D 对象仅包含一个 A 对象，并且它不能位于与B 和C 子对象both 的通常偏移处。所以编译器必须为D 的A 子对象选择一个位置，然后它必须提供一种机制，以便一些带有B* 或C* 的代码可以找出A 子对象的位置.这仅取决于最派生类型的继承层次结构——因此 vptr/vtable 是一种合适的机制。

Answer 2

但是，在一般情况下，这个偏移量只能在运行时知道，...

我不明白，这里与运行时相关的是什么。完整的类继承层次结构在编译时就已经知道了。

我认为linked article at Wikipedia 提供了很好的示例解释。

那篇文章中的示例代码：

struct Animal {
  virtual ~Animal() = default;
  virtual void Eat() {}
};

// Two classes virtually inheriting Animal:
struct Mammal : virtual Animal {
  virtual void Breathe() {}
};

struct WingedAnimal : virtual Animal {
  virtual void Flap() {}
};

// A bat is still a winged mammal
struct Bat : Mammal, WingedAnimal {
};

当您处理Bat 类型的对象时，编译器可以通过多种方式选择对象布局。

选项 1

+--------------+
| Animal       |
+--------------+
| vpointer     |
| Mammal       |
+--------------+
| vpointer     |
| WingedAnimal |
+--------------+
| vpointer     |
| Bat          |
+--------------+

选项 2

+--------------+
| vpointer     |
| Mammal       |
+--------------+
| vpointer     |
| WingedAnimal |
+--------------+
| vpointer     |
| Bat          |
+--------------+
| Animal       |
+--------------+

Mammal 和WingedAnimal 中的vpointer 中包含的值定义了Animal 子对象的偏移量。直到运行时才能知道这些值，因为Mammal 的构造函数无法知道主题是Bat 还是其他对象。如果子对象是Monkey，它不会派生自WingedAnimal。只是

struct Monkey : Mammal {
};

在这种情况下，对象布局可能是：

+--------------+
| vpointer     |
| Mammal       |
+--------------+
| vpointer     |
| Monkey       |
+--------------+
| Animal       |
+--------------+

可以看出，Mammal 子对象到Animal 子对象的偏移量是由派生自Mammal 的类定义的。因此，它只能在运行时定义。

Answer 3

完整的类继承层次结构在编译器时是已知的。但是所有vptr相关的操作，比如获取虚基类的偏移量，发出虚函数调用，都延迟到运行时，因为只有在运行时我们才能知道对象的实际类型。

例如，

class A() { virtual bool a() { return false; } };
class B() : public virtual A { int a() { return 0; } };
B* ptr = new B();

// assuming function a()'s index is 2 at virtual function table
// the call
ptr->a();

// will be transformed by the compiler to (*ptr->vptr[2])(ptr)
// so a right call to a() will be issued according to the type of the object ptr points to