简单虚拟继承
示例代码如下：- #include struct VBase{ void zoo() { std::cout > 8 = 0xffffffffffffe8 ，正好是-24的补码表示。</p>__offset_flags 的低8 bit表示flags，本例中，基类 VBase 既是虚基类（对应 __virtual_mask = 0x1 ），又是public基类（对应 __public_mask = 0x2 ），因此 __offset_flags 的低8 bit是 0x03 （ __virtual_msat | __public_mask ）。
- [size=5]为什么需要虚函数表？[/size]
- 现在我们知道了，当存在虚基类时，即使没有虚函数，我们也需要在虚函数表中记录必要的信息以供运行时使用，比如通过派生类对象访问虚基类子对象时所需的 vbase_offset ，动态类型转换（ dynamic_cast ）时所需的 typeinfo 等。
- [size=6]菱形继承[/size]
- 示例代码如下：
- [code]class GrandParent{public: GrandParent() {} virtual ~GrandParent() {} virtual void foo() {} virtual void zoo() {} int grandparent_data = 100;};class Parent1 : virtual public GrandParent{public: Parent1() {} virtual ~Parent1() {} virtual void foo() override {} int parent1_data = 200;};class Parent2 : virtual public GrandParent{public: Parent2() {} virtual ~Parent2() {} virtual void zoo() override {} int parent2_data = 300;};class Child : public Parent1, public Parent2{public: Child() {} virtual ~Child() {} int child_data = 400;};int main(){ Child *p_child = new Child; Parent1 *p_parent1_sub = p_child; GrandParent *p_gp1 = p_parent1_sub; p_gp1->foo(); Parent1 *p_parent1 = new Parent1; GrandParent *p_gp2 = p_parent1; p_gp2->foo(); delete p_child; delete p_parent1; return 0;}
前文已经提到过VTT，它是一个列表，表中的每一项都是一个虚表指针。该表在对象的构造/析构过程中发挥了重要作用。本文将以 Child 类对象的构造过程为例，探究为什么需要VTT。不过在此之前，我们先给出VTT及其指向的vtable的内存布局。
▲ 图2 VTT及vtable的内存布局
上图中，cod表示complete object destructor，dd表示deleting destructor，这两种析构函数的区别在之前的文章中已详细说明，此处不再赘述。
从构造过程看VTT作用
step1：构造虚基类子对象
从下面的汇编代码可以看出，程序首先为完整对象 Child 分配了内存，并在分配的内存中构造了虚基类 GrandParent 的对象。- main: pushq %rbp movl $48, %edi ; operator new的参数，分配48字节内存 pushq %rbx subq $8, %rsp call operator new(unsigned long) ; 分配内存 movq %rax, %rbp ; new返回的指针存入%rbp movq %rax, %rdi ; new返回的指针存入%rbp，作为参数调用Child::Child() call Child::Child() [complete object constructor]Child::Child() [complete object constructor]: pushq %rbx movq %rdi, %rbx ; %rdi保存的是new返回的地址，也是Child对象的首地址 leaq 32(%rdi), %rdi ; 首地址偏移32字节，作为参数调用虚基类构造函数 call GrandParent::GrandParent() [base object constructor]GrandParent::GrandParent() [base object constructor]: movq $vtable for GrandParent+16, (%rdi) ; 设置虚表指针 movl $100, 8(%rdi) ; 设置数据成员 ret
▲ 图3 虚基类子对象及其vtable的内存布局
step2：构造基类Parent1子对象
前面的文章中讲到，在构造过程中，当前正在构造谁，谁就是“临时的”完整对象，整个对象的类型就是谁，因此，虚函数指针会不断调整。但跟之前不同的是，这里使用了construction vtable这种特殊的vtable。- Child::Child() [complete object constructor]: pushq %rbx movq %rdi, %rbx ; %rdi保存的是new返回的地址，也是Child对象的首地址 leaq 32(%rdi), %rdi ; 首地址偏移32字节，作为参数调用虚基类构造函数 call GrandParent::GrandParent() [base object constructor]=> movq %rbx, %rdi ; 将Child对象首地址作为调用Parent1::Parent1()的第1个参数，即this指针 movl $VTT for Child+8, %esi ; 将VTT中第2个条目的地址作为调用Parent1::Parent1()的第2个参数 call Parent1::Parent1() [base object constructor]Parent1::Parent1() [base object constructor]: movq (%rsi), %rax ; 将VTT中第2个条目的内容（即虚表指针construction vtable for Parent1-in-Child+24，简称虚指针1）存入%rax movq 8(%rsi), %rdx ; 将VTT中第3个条目的内容（即虚表指针construction vtable for Parent1-in-Child+88，简称虚指针2）存入%rax movq %rax, (%rdi) ; 将虚指针1设置到this指针指向的内存，作为Parent1的虚表指针 movq -24(%rax), %rax ; 虚指针1向上偏移24字节，取对应内容（即vbase_offset），存入%rax movq %rdx, (%rdi,%rax) ; %rdi表示Parent1对象的首地址，%rax表示vbase_offset，两者相加，即为虚基类子对象GrandParent的地址，此句将虚指针2设置为虚基类的虚表指针 movl $200, 8(%rdi) ; 设置Parent1的数据成员 ret
▲ 图4 Parent1 作为基类子对象时，对象和Construction vtable的内存布局
为什么不能直接使用 Parent1 的vtable呢？我们不妨先看一下 Parent1 作为完整对象时，对象和vtable的内存布局。
▲ 图5 Parent1 作为完整对象时，对象和vtable的内存布局
可见，同样是 Parent1 对象，但作为基类子对象（图4）和作为完整对象（图5）相比，整体的内存布局是不一样的，即虚基类子对象 GrandParent 与 Parent1 对象的偏移量是不一样的。图4中，因为需要预留16字节给 Parent2 对象，所以 GrantParent 和 Parent1 离得更远。反映到vtable上，就是与偏移相关的条目，如 vbase_offset 和 vcall_offset ，值会不一样，图4中是32和-32，图5中是16和-16。因此，如果图5中直接使用了 Parent1 的vtable，在基类子对象 Parent1 和虚基类子对象 GrandParent 相互转换时（即 this 指针的调整），就会因使用了错误的偏移量而出错。
综上，按C++标准规定，构造到 Parent1 时， Parent1 就是“完整对象”，应当使用 Parent1 的vtable。但这个“完整对象”的内存布局，和真正的完整对象的内存布局，还可能不一样，差别在虚基类子对象的偏移上。若直接使用 Parent1 的vtable，偏移量相关的条目，就会与实际情况对不上。因此，就需要准备一张“临时”的vtable，在里面填上正确的偏移量，供构造时使用，这就是所谓的construction vtable。另外，这些构造过程中使用的vtable的地址，被统一保存到了另一个表里，即VTT。还需说明的是，VTT及construction vtable，不仅在对象构造过程中会被使用，在对象析构过程中，也会被使用，因为析构是构造的逆过程。关于VTT，Itanium C++ ABI的描述如下：
To ensure that the virtual table pointers are set to the appropriate virtual tables during proper base class construction, a table of virtual table pointers, called the VTT, which holds the addresses of construction and non-construction virtual tables is generated for the complete class. The constructor for the complete class passes to each proper base class constructor a pointer to the appropriate place in the VTT where the proper base class constructor can find its set of virtual tables. Construction virtual tables are used in a similar way during the execution of proper base class destructors.
除了使用construction vtable外，对象的构造过程与上篇文章讲到的并无差别，本文不再赘述。
vtable条目解析
上文给出了虚继承条件下的vtable，包括construction vtable，但并未深入其中的各个条目，现在，让我们来一探究竟。
construction vtable里的虚析构函数指针为什么是0？
细心的读者可能观察到了，在construction vtable中，虚析构函数的地址是0，即虚析构函数被禁掉了。关于这一点，C++标准并没有明确的规定，而是GCC编译器独有的行为，比如，Clang编译器就没有这个行为。GCC这么做的原因，笔者猜测，可能是为了防止基类子对象被重复析构。比如，在构造 Parent1 时，调用了 ~Parent1() （当然，在构造函数里调用析构函数，本身就是十分奇怪的，正常不会这么用，但话说回来，C++并没有禁止这么用），这样，虚基类 GrandParet 的虚函数也会被调用，虚基类也会被析构。等到构造 Parent2 时， ~Parent2() 也可能被调用，这样， GrandParent 会再次被析构，这样就会出现double free的问题。当然，这只是笔者的一个猜测，如果读者有其它的观点，欢迎不吝赐教。
vbase_offset的作用
考虑下面的代码：- int main(){ Child *p_child = new Child; Parent1 *p_parent1_sub = p_child; GrandParent *p_gp1 = p_parent1_sub; // Parent1作为Child的基类子对象，转为虚基类GrandParent p_gp1->foo(); Parent1 *p_parent1 = new Parent1; GrandParent *p_gp2 = p_parent1; // Parent1作为Child的基类子对象，转为虚基类GrandParent p_gp2->foo(); delete p_child; delete p_parent1; return 0;}
让我们通过汇编代码探究一下，当派生类指针/引用向基类指针/引用转换时，是如何利用 vbase_offset 调整指针值的。- main: pushq %rbp movl $48, %edi ; 需要分配的内存大小 pushq %rbx subq $8, %rsp ; 建议配合图6来理解下面的代码 call operator new(unsigned long) ; 分配48字节内存 movq %rax, %rbp ; 分配的内存的首地址存入%rbp和%rdi movq %rax, %rdi call Child::Child() [complete object constructor] ; 构造Child对象 ; 因为Parent1子对象的首地址和Child对象的首地址是一样的，因此， ; Parent1 *p_parent1_sub = p_child; 一句不需要调整指针，在-O2优化级别下， ; 没有生成汇编代码。下面的代码，是 Parent1* 向 GrandParent* 转换的汇编代码 movq 0(%rbp), %rax ; 在对象首地址处取出虚表指针，存入%rax movq -24(%rax), %rdi ; 虚表指针向上偏移24字节，正好指向vbase_offset，将vbase_offset的值（这里是32）存入%rdi addq %rbp, %rdi ; 这里相当于%rdi = %rbp + %rdi = Parent1子对象首地址 + vbase_offset(32)，因此得到的是虚基类子对象GrandParent的首地址 movq (%rdi), %rax ; 从首地址取出GrandParent的虚表指针 call *16(%rax) ; 虚表指针加16，正是virtual trunk to Parent1::foo()条目的地址， ; 取出该地址处的值，正是virtual trunk to Parent1::foo()的地址，调用该函数 ; 建议配合图5来理解下面的代码 movl $32, %edi call operator new(unsigned long) ; 为构造Parent1对象，先分配32字节 movq %rax, %rbx ; 分配的内存的首地址存入%rbp和%rdi movq %rax, %rdi call Parent1::Parent1() [complete object constructor] ; 构造对象 movq (%rbx), %rax ; 在对象首地址处取出虚表指针，存入%rax movq -24(%rax), %rdi ; 虚表指针向上偏移24字节，正好指向vbase_offset，将vbase_offset的值（这里是16）存入%rdi addq %rbx, %rdi ; 这几句和上面相同，不再赘述 movq (%rdi), %rax call *16(%rax)
▲ 图6 Child 对象及其vtable的内存布局
两种constructor
在上文中，一共出现了两种构造函数， complete object constructor 和 base object constructor 。顾名思义， complete object constructor 用来构造完整对象，它不仅会构造自己，还会构造其基类；而 base object constructor 是在 complete object constructor 中被调用的，用来构造基类子对象（base object）。
当 complete object constructor 调用 base object constructor 时，会传递两个参数，第一个是指向基类子对象的this指针，第二个是基类子对象vptr的地址（注意是vptr的地址而不是vptr），这个地址就是VTT中的某个条目。在 base object constructor 中，会使用第二个参数为基类子对象设置虚表指针，还会使用第二个参数寻址虚基类的vptr，为虚基类子对象设置虚表指针。
以上过程，在上文的代码中得到了完整的体现，读者可以配合代码来加深理解。
vcall_offset详解
考虑下面的代码：- Child *p_child = new Child;Parent1 *p_parent1_sub = p_child;GrandParent *p_gp1 = p_parent1_sub;p_gp1->foo();
- virtual thunk to Parent1::foo(): movq (%rdi), %r10 ; %rdi指向虚基类子对象，这里是取出虚基类的虚表指针，存入%r10 addq -32(%r10), %rdi ; 如图6，虚表指针减32，正好是foo()函数对应的vcall_offset jmp .LTHUNK2 ; .LTHUNK2是Parent1::foo()的别名
具体地，以图6为例：
1. vcall_offset 存在于虚基类的vtable中。
2. 与虚基类中的虚函数一一对应，每个虚函数对应一个 vcall_offset ，只有一个例外——两个虚析构函数对应一个 vcall_offset 。
3. vbase_offset 在vtable中的排列顺序，与虚函数的排列顺序正好相反。以图6为例，从低地址到高地址，虚函数排布依次是两个 virtual trunk to Child::~Child() 、 virtual trunk to Parent1::foo() 、 virtual trunk to Parent2::zoo() ，与此相对， vcall_offset 的排布依次对应 virtual trunk to Parent2::zoo() 、 virtual trunk to Parent1::foo() 、两个 virtual trunk to Child::~Child() 。
为什么需要多个 vcall_offset ？因为重写各个虚函数的派生类可能是不一样的， this 指针需要调整到不同的派生类，偏移量也是不一样的。例如，对于虚析构函数，根据多态性，应该调用完整类型 Child 的析构函数，因此 this 指针应该偏移-32以便指向完整类型；对于 foo() ，因为被 Parent1 重写了，所以 this 指针需要指针 Parent1 子对象，偏移量也是-32；对于 zoo() ，因为被 Parent2 重写了，所以 this 指针需要指向 Parent2 子对象，偏移量就变成了-16。
特别的，如图5所示，当 Parent1 作为完整对象时，由于 Parent1 并没有重写 zoo() ，因此调用的仍然是 GrandParent::zoo() ，不需要调整 this 指针，因此 vcall_offset 条目被置0。
有读者可能要问了，如果 Parent2 也重写了 foo() ，结果会怎么样呢？结果会编译报错。因为会产生歧义，编译器不允许这么做。读者可以自行试验。
总结
本文首先以简单虚拟继承为例，向读者展示了在虚继承条件下，即使没有虚函数，也会存在虚函数表，用来记录 this 指针调整、动态类型转换等所需的信息。接下来，以菱形继承为例，详细介绍了VTT以及的construction vtable，深入探讨了该结构存在的原因以及在对象构造/析构中的作用。最后，详细讲解了虚析构函数、构造函数、 vbase_offset 和 vcall_offset 等与虚继承相关的虚表条目。
由于在下才疏学浅，能力有限，错误疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正，您的批评是在下前进的不竭动力。
备注
[1] 之所以说是“恰好”，是因此编译器将内存程序运行的结构紧凑排布，恰好将VTT排在了 Derived 的vtable的后面。
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