C++多繼承的細節

這幾天寫的程式應用到多繼承。

以前對多繼承的概念非常清晰，可是很久沒用就有點模糊了。重新研究一下，“重新整理”下記憶。

假設我們有下面的代碼：

#include <stdio.h>

class A
{
private:
   char data;
public:
   A(){data = 'A';}
   virtual void Show(){printf("A\n");};
   virtual void DispA(){printf("a\n");};
};

class B
{
private:
   int data;
public:
   B(){data = 'B';}
   virtual void Show(){printf("B\n");};
   virtual void DispB(){printf("b\n");};
};

class C
{
private:
   char data;
public:
   C(){data = 'C';}
   virtual void Show(){printf("C\n");};
   virtual void DispC(){printf("c\n");};
};

class D : public A, public B, public C
{
public:
   char data;
public:
   D(){data = 'D';}
   virtual void Show(){printf("D\n");};
   virtual void DispD(){printf("d\n");};
};

class E : public D
{
private:
   char data;
public:
   E(){data = 'E';}
   virtual void Show(){printf("E\n");};
   virtual void DispE(){printf("e\n");};
};

int main()
{
   D *d = new D;
   A *a = (A*)d;
   B *b = (B*)d;
   C *c = (C*)d;;

   d->Show();
   a->Show();
   b->Show();

   a->DispA();
   b->DispB();
   d->DispD();

   D *d1 = (D*)a;
   d1->Show();
   d1->DispD();
   D *d2 = (D*)b;
   d2->Show();
   d2->DispD();

   char x = d->data;
   return 0;
}

每個類都有兩個虛擬函數Show()和DispX()。類A,B,C是基本類，而D是多繼承，最後E又繼承了D。那麼對於類E，它的記憶體映像是怎樣的呢？為瞭解答這個問題，我們回顧一下基本類的記憶體映像：

+ --------------+ <- this
+    VTAB       +
+ --------------+
+               +
+    Data       +
+               +
+ --------------+

如果一個類有虛擬函數，那麼它就有虛函數表（VTAB）。類的第一個單元是一個指標，指向這個虛函數表。如果類沒有虛函數，並且它的祖先（所有父類）均沒有虛函數，那麼它的記憶體映像和C的結構一樣。所謂虛函數表就是一個數組，每個單元指向一個虛函數地址。
如果類Y是類X的一個繼承，那麼類Y的記憶體映像如下：
+ --------------+ <- this
+   Y 的 VTAB   +
+ --------------+
+               +
+   X 的 Data   +
+               +
+ --------------+
+               +
+   Y 的 Data   +
+               +
+ --------------+
Y的虛函數表基本和X的相似。如果Y有新的虛函數，那麼就在VTAB的末尾加上一個。如果Y重新定義了原有的虛函數，那麼原的指標指向新的函數入口。這樣無論是記憶體印象和虛函數表，Y都和X相容。這樣當執行 X* x = (Y*)y；之後,x可以很好的被運用，並且可以享受新的虛擬函數。

現在看多重繼承:
class D : public A, public B, public C
{
   ....
}
它的記憶體映像如下:  
+ --+ -----------------+ 00H <- this
+   +    D 的 VTAB     +
+ A + -----------------+ 04H
+   +    A 的 資料     +
+ --+ -----------------+ 08H
+   +    B 的 VTAB'    +
+ B + -----------------+ 0CH
+   +    B 的 資料     +
+ --+ -----------------+ 10H
+   +    C 的 VTAB'    +
+ C + -----------------+ 14H
+   +    C 的 資料     +
+ --+ -----------------+ 18H
+ D +    D 的 資料     +
+ --+ -----------------+
（因為對齊於雙字，A~D的資料雖然只是一個char，但需要對齊到DWORD，所以佔4位元組）

對於A,它和單繼承沒有什麼兩樣。B和C被簡單地放在A的後面。如果它們虛函數在D中被重新定義過（比如Show函數），那麼它們需要使用新的VTAB，使被重定義的虛函數指到正確的位置上（這對於COM或類似的技術是至關重要的）。最後，D的資料被放置到最後面。
對於E的記憶體映像問題就可以不說自明了。

下面我們看一下C++是如何處理
   D *d;
   ......
   B *b = (B*)d;
這樣的要求的。設定斷點，進入反組譯碼，你可以看到如下的彙編代碼：（因為UBB關係，將方括弧替換成了大括弧。看上去有點彆扭）
B *b = (B*)d;
00401062  cmp         dword ptr {d},0
00401066  je          main+73h (401073h)
00401068  mov         eax,dword ptr {d}
0040106B  add         eax,8
0040106E  mov         dword ptr {ebp-38h},eax
00401071  jmp         main+7Ah (40107Ah)
00401073  mov         dword ptr {ebp-38h},0
0040107A  mov         ecx,dword ptr {ebp-38h}
0040107D  mov         dword ptr {b},ecx
從上述彙編代碼可以看出：如果源（這裡是d）是NULL，那麼目標(這裡是b)也將被置為NULL，否則目標將指向源的地址並向下位移8個位元組，正好就是所示B的VTAB位置。至於為什麼要用ebp-38h作緩衝，這是編譯器的演算法問題了。等以後有時間再研究。

接下來看一個比較古怪的問題，這個也是我寫這篇文章的初衷:
根據上面的多繼承定義，如果給出一個類B的執行個體b，我們是否可以求出D的執行個體?

為什麼要問這個問題。因為存在下面的可能性：
class B
{
   ...
   virtual int GetTypeID()=0;
   ...
};

class D : public A, public B, public C
{
   ...
   virtual int GetTypeID(){return 0;};
   ...
};

class Z : public X, public Y, public B
{
   ...
   virtual int GetTypeID(){return 1;};
   ...
};

void MyFunc(B* b)
{
   int t = b->GetTypeID();
   switch(t)
   {
   case 0:
       DoSomething((D*)b); //可能嗎？
       break;
   case 1:
       DoSomething((Z*)b); //可能嗎？
       break;
   default:
       break;
   }
}

猛一看很值得懷疑。但仔細想想，這是可能的，事實也證明了這一點。因為編譯器瞭解這D和B這兩個類相互之間的關係（也就是位移量），因此它會做相應的轉換。同樣，設定斷點，查看彙編：
D *d2 = (D*)b;
00419992  cmp         dword ptr {b},0
00419996  je          main+196h (4199A6h)
00419998  mov         eax,dword ptr {b}
0041999B  sub         eax,8
0041999E  mov         dword ptr {ebp-13Ch},eax
004199A4  jmp         main+1A0h (4199B0h)
004199A6  mov         dword ptr {ebp-13Ch},0
004199B0  mov         ecx,dword ptr {ebp-13Ch}
004199B6  mov         dword ptr {d2},ecx
如果源（這裡是b）為NULL，那麼目標(這裡是d2)也為NULL。否則目標取源的地址並向上位移8個位元組，這樣正好指向D的執行個體位置。同樣，為啥需要ebp-13Ch做緩衝，待查。

前一段時間因為擔心.NET中將interface轉成相應的類會有問題。今天對C++多重繼承的複習徹底消除了疑雲。