多重继承和void*的糗事
| Author: | Kevin Lynx |
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| Date: | 4.30.2011 |
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C++为了兼容C，导致了不少语言阴暗面。Bjarne Stroustrup在<D&E>一书里也常为此表现出无奈。另一方面，强制转换也是C++的一大诟病。但是，因为我们的应用环境总是那么“不
纯”，所以也就常常导致各种问题。
本文即描述了一个关于强制转换带来的问题。这个问题几年前我曾遇到过(<多线程下vc2003,vc2005对虚函数表处理的BUG？>)，当时没来得及深究。深究C++的某些语法，实在是件辛苦事。所以，这里也不提过于诡异的用法。
问题
考虑下面非常普通的多重继承代码:
class Left {
public:
virtual void ldisplay () {
printf ("Left::ldisplay\n");
}
};
class Right {
public:
virtual void rdisplay () {
printf ("Right::rdisplay\n");
}
};
class Bottom : public Left, public Right {
public:
virtual void ldisplay () {
printf ("Bottom::ldisplay\n");
}
};
这样子的代码在我们的项目中很容易就会出现，例如:
class BaseObject;
class EventListener;
class Player : public BaseObject, public EventListener
别紧张，我当然不会告诉你这样的代码是有安全隐患的。但它们确实在某些时候会出现隐患。在我们的C++项目中，也极有可能会与一些纯C模块打交道。在C语言里，极有肯能出现以
下的代码:
typedef void (*allocator) (void *u);
void set_allocator (allocator alloc, void *u);
之所以使用回调函数，是出于对模块的通用性的考虑。而在调用回调函数时，也通常会预留一个user data的指针，用于让应用层自由地传递数据。
以上关于多重继承和void*的使用中，都属于很常规的用法。但是当它们遇到一起时，事情就悲剧了。考虑下面的代码:
Bottom *bobj = new Bottom(); // we HAVE a bottom object
Right *robj = bobj; // robj point to bobj?
robj->rdisplay(); // display what ?
void *vobj = bobj; // we have a VOID* pointer
robj = (Right*) vobj; // convert it back
robj->rdisplay(); // display what?
这里的输出结果是什么呢？:
Right::rdisplay
Bottom::ldisplay // !!!!
由void*转回来的robj调用rdisplay时，却调用了莫名其妙的Bottom::ldisplay！
多重继承类的内存布局
类对象的内存布局，并不属于C++标准。这里仅以vs2005为例。上面例子中，Bottom类的内存布局大概如下:
+-------------+
| Left_vptr |
+-------------+
| Left data |
+-------------+
| Right_vptr |
+-------------+
| Right data |
+-------------+
| Bottom data |
+-------------+
与单继承不同的是，多重继承的类里，可能会包含多个vptr。当一个Bottom对象被构造好时，其内部的两个vptr也被正确初始化，其指向的vtable分别为:
Left_vptr ---> +---------------------+
| 0: Bottom::ldisplay |
+---------------------+
Right_vptr ---> +---------------------+
| 0: Right::rdisplay |
+---------------------+
转换的内幕
类体系间的转换
隐式转换相比强制转换而言，一定算是优美的代码。考虑如下代码的输出:
Bottom *bobj = new Bottom();
printf ("%p\n", bobj);
Right *robj = bobj;
printf ("%p\n", robj);
其输出结果可能为:
003B5DA0
003B5DA4
结论就是，Right *robj = bobj;时，编译器返回了bobj的一个偏移地址。 从语言角度看，就是这个转换，返回了bobj中Right*的那一部分的起始地址。但编译器并不总是在bobj上加一个偏移，例如:
bobj = NULL;
Right *robj = bobj;
编译器不会傻到给你一个0x00000004的地址，这简直比NULL更无理。
void*转换
编译器当然有理由做上面的偏移转换。那是因为在编译阶段，编译器就知道bobj和Right之间的关系。这个偏移量甚至不需要在运行期间动态计算，或是从某个地方取。如果你看过上面代码对应的汇编指令，直接就是:
add eax, 4 ; 直接加 sizeof(Left)，记住，Right在Left之后
void*就没那么幸运了。void*和Bottom没有任何关系，所以:
void *vobj = bobj; // vobj的地址和bobj完全相同
然后当你将vobj转换到一个Right*使用时:
robj = (Right*) vobj; // 没有偏移转换，robj == vobj == bobj
robj->rdisplay();
robj指向的是Bottom的起始地址，天啊，在我们学习C++时，我们可以说Bottom就是一个Left，也是一个Right，所谓的is kind of。但这里的悲剧在于，按照上面的逻辑，我们在使用Right时，其实应该使用Bottom里Right那一部分。 但现在这个转换，却让robj指向了Bottom里Left那一部分。
当调用 robj->rdisplay 时，编译器当然按照Right的内存布局，生成一个虚函数的调用指令，大概就是:
mov vptr, robj->[0] ;; vptr在robj起始地址处
mov eax, vptr[0] ;; rdisplay在vtable中位于第一个
mov ecx, robj
call eax
总而言之， robj->rdisplay 就是使用偏移0处的值作为vptr，然后使用vptr指向的vtable中第一个函数作为调用。
但，robj正指向bobj的起始地址，这个地址是放置Left_vptr的地方。这个过程，使用了Left_ptr，而Left_ptr指向的vtable中，第一个函数是什么呢？:
Left_vptr ---> +---------------------+
| 0: Bottom::ldisplay |
+---------------------+
正是Bottom::ldisplay！到这里，整个问题的原因就被梳理出来了。
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