深度解读《深度探索C++对象模型》之虚继承的实现分析和效率评测（一）

目录

前言 

具有虚基类的对象的构造过程

通过子类的对象存取虚基类成员的实现分析

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前言 

        前面几篇分析了静态数据成员、普通的数据成员以及在继承体系下的数据成员的存取效率的分析，请从这里阅读：

        深度解读《深度探索C++对象模型》之数据成员的存取效率分析（一）

        深度解读《深度探索C++对象模型》之数据成员的存取效率分析（二）

        深度解读《深度探索C++对象模型》之数据成员的存取效率分析（三）

        接下来来分析虚继承的实现以及它的效率评测，在读这篇文章之前，为了能够更好地理解内容，建议先阅读一下以下的文章，补充一些基础知识。

        深度解读《深度探索C++对象模型》之默认构造函数

        深度解读《深度探索C++对象模型》之C++对象的内存布局（一）

        深度解读《深度探索C++对象模型》之C++对象的内存布局（二）

        深度解读《深度探索C++对象模型》之C++虚函数实现分析（一）

        深度解读《深度探索C++对象模型》之C++虚函数实现分析（二）

        深度解读《深度探索C++对象模型》之C++虚函数实现分析（三）

        深度解读《深度探索C++对象模型》之C++虚函数实现分析（四）

        深度解读《深度探索C++对象模型》之C++对象的构造过程（一）

        深度解读《深度探索C++对象模型》之C++对象的构造过程（二）

        深度解读《深度探索C++对象模型》之C++对象的构造过程（三）

        现在来分析在虚继承时访问虚基类的数据成员的实现方法，以及它和访问普通的数据成员之间的效率对比评测。虚继承虽然很少使用，但可能难以避免有时业务中确实需要用到，这时熟悉编译器对于虚继承的实现手法和存取虚基类成员的效率，这样可以对所写的代码了然于胸，做到心中有数。我们以一个具体的例子来分析：

class Grand {
public:virtual ~Grand() {}int g;
};
class Base1: virtual public Grand {
public:int b1;
};
class Base2: virtual public Grand {
public:int b2;
};
class Derived: public Base1, public Base2 {
public:int d;
};int main() {Derived d;d.g = 5;Derived* pd = &d;pd->g = 6;Base1* pb1 = &d;pb1->g = 7;Base2* pb2 = &d;pb2->g = 8;Grand* pg = &d;pg->g = 9;return 0;
}

        要深入分析编译器对虚继承的实现手法，最好的方法是分析编译器生成的汇编代码，上面短短的C++代码生成的汇编代码却相当多，不可能全部贴出来，只能将有需要讲到的地方贴出来。

具有虚基类的对象的构造过程

        首先，main函数的第一行定义了一个Derived类的对象，这里则会去调用Derived类的默认构造函数，在Derived类的构造函数里首先会去调用Grand子类的默认构造函数，然后调用Base1子类和Base2子类的默认构造函数，最后是完成自身的构造。不要奇怪为什么会去调用这些默认构造函数，明明代码中并没有定义这些函数啊，如果对这个有疑问的话可以先看一下另外一篇“深度解读《深度探索C++对象模型》之默认构造函数”。在这些默认构造函数里主要的事情就是去设置虚表指针，因为代码中有虚继承，所以编译器会生成一个虚表，而且虚基类中有定义了虚函数，所以它的派生类中都会继承虚函数（这里指的都是虚析构函数），所以也有一个虚函数表，这些具体的细节不同的编译器有不同的实现手法，clang和gcc是将这两个表合二为一，只需要一个指针指向它们，而MSVC是分开两个表，所以需要两个指针来指向它们，但是原理都大致相同，这里就以clang的实现为例。

        下面是Derived类的构造函数的汇编代码：

        上面汇编代码的前三行是保存上个函数的栈寄存器，然后开辟了16字节的栈空间来使用。接着是将rdi寄存器的值保存到栈空间中，rdi是调用Derived类构造函数时传递过来的参数，它是Derived类的对象d的地址。

        上面汇编代码的第66行，在此地址之上偏移32个字节（跳过Base1子对象和Base2子对象），即为Grand类子对象的起始地址（对对象的内存布局还不熟悉的，可以先参考：

深度解读《深度探索C++对象模型》之C++对象的内存布局（一）

深度解读《深度探索C++对象模型》之C++对象的内存布局（二）

），这时将rdi寄存器（对象d的地址偏移了32字节后）作为参数，调用Grand类的默认构造函数。下面是Grand类的默认构造函数汇编代码：

        汇编代码的第110行到112行，在Grand类的默认构造函数里会先设置Grand类的虚函数表指针（指向Grand类的虚函数表，每个类都会有一个虚函数表），[rip + vtable for Grand]是虚表的地址，以下这个表的内容：

        前面两行先不管它，第三、四行即存放虚函数的地址。所以上面汇编代码的第111行里跳过16字节，即是跳过了前面两行，将第三行的内容即虚函数的地址，设置给Grand类子对象的起始地址中，至此完成了Grand类子对象的虚函数表的设置。

        回到Derived类的构造函数的汇编代码中，见第68行到71行，这里是去调用Base1子类的默认构造函数：

        [rbp - 16] 栈空间保存的是Derived类的对象d的地址，这里再加载到rdi寄存器中，作为调用Base1类默认构造函数的第一个参数。第69行代码是取得“VTT for Derived”表的地址并保存在rsi寄存器中，作为调用Base1类默认构造函数的第二个参数。

        “VTT for Derived”表的内容如下：

        上面汇编代码的第70行将rsi里的值加上8的偏移值，也就是上表的起始地址加上8，实际上就是指向第二条内容的地址，最后第71行代码调用Base1类的默认构造函数。

        Base1类的默认构造函数代码：

        第118行、119行代码将第一个参数rdi寄存器和第二个参数rsi寄存器中的内容分别保存到栈空间[rbp - 8]和[rbp - 16]中。从上面的分析中我们知道，rsi保存的内容是“construction vtable for Base1-in-Derived+24”，它实际上是表“construction vtable for Base1-in-Derived”的起始地址加上偏移值24的意思。那么来看下“construction vtable for Base1-in-Derived”表的内容：

        上面的表加上24的偏移值，实际上就是跳过前面三行的内容，指向第四条的内容，也就是Base1类的虚析构函数的地址。然后上面汇编代码的第122行、123行将这个地址设置给Base1子对象的起始位置，这个就是之前说过的设置虚函数表指针。

        接下来的第124行到127行的代码意思跟前面的差不多，只不过它设置的虚基类子对象的虚函数表指针。第124行的rcx + 8，rcx原先的内容是“VTT for Derived”表的第二行即“construction vtable for Base1-in-Derived+24”，这里再加8就是指向第三行，并将它的内容保存到rdx寄存器中。第126行的rcx - 24，实际上就是跳回到“construction vtable for Base1-in-Derived”表的起始位置，然后对其取值，也就是32（参见上面的表）并保存到rcx寄存器中。在汇编代码的第127行，rax + rcx表示对象d的起始地址（也是Base1子对象的起始地址）加上32的偏移值，定位到虚基类Grand类的子对象的起始地址，并将虚函数表指针设置到这个起始地址中。

        接下来的Base2子对象的构造过程跟构造Base1子对象的过程类似，不同的是设置的虚函数表指针的内容不同。最后是Derived类子对象的构造，过程都大同小异，这里就不再赘述。

        通过上面的分析我们知道，在构造Base1和Base2子类的时候，除了设置Base1和Base2自身的虚函数表指针之外，还会重新设置Grand类的虚函数表指针（设置两次，一次设置为指向Base1类的，后一次设置为指向Base2类的），最后在构造Derived类的时候全都更新为指向Derived类的虚函数表。

        构造完Derived类的对象后，接着来分析存取虚基类的数据成员g，我们采取几种不同的途径来存取，如通过Derived类的对象、Derived类型的指针、Base1和Base2父类的指针以及虚基类Grand类型的指针来存取数据成员g，分别分析它们的实现手法有什么区别。

通过子类的对象存取虚基类成员的实现分析

        首先通过对象来存取，C++代码第21行：d.g = 5;，对应的汇编代码如下：

mov     rax, qword ptr [rbp - 56]
mov     rax, qword ptr [rax - 24]
mov     dword ptr [rbp + rax - 48], 5

        [rbp - 56]是对象Derived对象d的地址，这个地址在构造对象d的最后阶段的时候被写入虚函数表指针：

mov     rax, qword ptr [rbp - 16]       # 8-byte Reload
lea     rcx, [rip + vtable for Derived]
add     rcx, 24
mov     qword ptr [rax], rcx

        第2行是加载虚表的地址到rcx寄存器（这个虚表包含了虚基类表和虚函数表），然后加上偏移值24写入到对象的起始地址中，加上偏移值24后指向了虚函数的地址，下面是Derived类的虚表的内容：

vtable for Derived:.quad   32.quad   0.quad   typeinfo for Derived.quad   Derived::~Derived() [complete object destructor].quad   Derived::~Derived() [deleting destructor].quad   16.quad   -16.quad   typeinfo for Derived.quad   non-virtual thunk to Derived::~Derived() [complete object destructor].quad   non-virtual thunk to Derived::~Derived() [deleting destructor].quad   -32.quad   -32.quad   typeinfo for Derived.quad   virtual thunk to Derived::~Derived() [complete object destructor].quad   virtual thunk to Derived::~Derived() [deleting destructor]

        这个表中有几种类型的虚函数，这个主要是跟多态的调用有关，主要是为了实现虚函数的多态调用，这里先不分析，后面再专门讲这个。接着上面的汇编代码，对象d的起始地址的内容现在就是虚表的地址偏移24字节，rax - 24就相当于又指向了虚表的起始地址，[rax - 24]是取这个地址的内容（相当于指针的解引用），也就是32。rbp + rax - 48相当于rbp - 56 + 8 + rax，rbp - 56是对象的起始地址，加上rax即32，是跳过了Base1和Base2两个子类的大小，再加8是因为Grand子类的前面有一个虚函数表指针，大小为8字节，所以最终指向的地址为数据成员g的地址，然后对其赋值为5。

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