C++数组与多态

以前在看深度探索C++对象模型的时候，对于P262页的那个例子很不是理解，再加上自己在VS2013上测试的结果，实在困扰了很长时间，今天看到这篇博客，记录一下。

class Base
{
  public:
    virtual ~B(){ cout <<"B::~B()"<<endl; }
};

class Derived : public Base
{
  public:
    virtual ~D() { cout <<"D::D~()"<<endl; }
};

Base* pBase = new Derived[10];
delete[] pBase;

C语言补课

我先不说这段C++的程序在什么情况下能正确调用派生类的析构函数，我还是先来说说C语言，这样我在后面说这段代码时你就明白了。

对于上面的：

Base* pBase = new Derived[10];

这个语言和下面的有什么不同吗？

Derived d[10];

Base* pBase = d;

一个是堆内存动态分配，一个是栈内存静态分配。只是内存的位置和类型不一样，在语法和使用上没有什么不一样的。（如果你把Base 和 Derived想成struct，把new想成malloc() ，你还觉得这和C++有什么关系吗？）

那么，你觉得pBase这个指针是指向对象的，是对象的引用，还是指向一个数组的，是数组的引用？

于是乎，你可以想像一下下面的场景：

int *pInt; char* pChar;

pInt = (int*)malloc(10*sizeof(int));

pChar = (char*)pInt;

对上面的pInt和pChar指针来说，pInt[3]和pChar[3]所指向的内容是否一样呢？当然不一样，因为int是4个字节，char是1个字节，步长不一样，所以当然不一样。

那么再回到那个把Derived[]数组的指针转成Base类型的指针pBase，那么pBase[3]是否会指向正确的Derrived[3]呢？

我们来看个纯C语言的例程，下面有两个结构体，就像继承一样，我还别有用心地加了一个void *vptr，好像虚函数表一样：

1. struct A {
2.     void *vptr;
3.     int i;
4. };
5.  
6. struct B{
7.     void *vptr;
8.     int i;
9.     char c;
10.     int j;
11. }b[2] ={
12.     {(void*)0x01, 100, 'a', -1},
13.     {(void*)0x02, 200, 'A', -2}
14. };

注意：我用的是G++编译的，在64bits平台上编译的，其中的sizeof(void*)的值是8。

我们看一下栈上内存分配：

struct A *pa1 = (struct A*)(b);

用gdb我们可以看到下面的情况：(pa1[1]的成员的值完全乱掉了)

1. (gdb) p b
2. $7 = {{vptr = 0x1, i = 100, c = 97 'a', j = -1}, {vptr = 0x2, i = 200, c = 65 'A', j = -2}}
3. (gdb) p pa1[0]
4. $8 = {vptr = 0x1, i = 100}
5. (gdb) p pa1[1]
6. $9 = {vptr = 0x7fffffffffff, i = 2}

我们再来看一下堆上的情况：（我们动态了struct B [2]，然后转成struct A *，然后对其成员操作）

1. struct A *pa = (struct A*)malloc(2*sizeof(struct B));
2. struct B *pb = (struct B*)pa；
3.  
4. pa[0].vptr = (void*) 0x01;
5. pa[1].vptr = (void*) 0x02;
6.  
7. pa[0].i = 100;
8. pa[1].i = 200;

用gdb来查看一下变量，我们可以看到下面的情况：（pa没问题，但是pb[1]的内存乱掉了）

1. (gdb) p pa[0]
2. $1 = {vptr = 0x1, i = 100}
3. (gdb) p pa[1]
4. $2 = {vptr = 0x2, i = 200}
5. (gdb) p pb[0]
6. $3 = {vptr = 0x1, i = 100, c = 0 '\000', j = 2}
7. (gdb) p pb[1]
8. $4 = {vptr = 0xc8, i = 0, c = 0 '\000', j = 0}

可见，这完全就是C语言里乱转型造成了内存的混乱，这和C++一点关系都没有。而且，C++的任何一本书都说过，父类对象和子类对象的转型会带来严重的内存问题。

但是，如果在64bits平台下，如果把我们的structB改一下，改成如下（把struct B中的int j给注释掉）:

1. struct A {
2.     void *vptr;
3.     int i;
4. };
5.  
6. struct B{
7.     void *vptr;
8.     int i;
9.     char c;
10.     //int j; <---注释掉int j
11. }b[2] ={
12.     {(void*)0x01, 100, 'a'},
13.     {(void*)0x02, 200, 'A'}
14. };

你就会发现，上面的内存混乱的问题都没有了，因为struct A和struct B的size是一样的：

(gdb) p sizeof(struct A)
$6 = 16
(gdb) p sizeof(struct B)
$7 = 16

注：如果不注释int j，那么sizeof(struct B)的值是24。

这就是C语言中的内存对齐，内存对齐的原因就是为了更快的存取内存（详见《》）

如果内存对齐了，而且struct A中的成员的顺序在struct B中是一样的而且在最前面话，那么就没有问题。再来看C++的程序

如果你看过我5年前写的《C++虚函数表解析》以及《C++内存对象布局 上篇、下篇》，你就知道C++的标准会把虚函数表的指针放在类实例的最前面，你也就知道为什么我别有用心地在struct A和struct B前加了一个 void *vptr。C++之所以要加在最前面就是为了转型后，不会找不到虚表了。

好了，到这里，我们再来看C++，看下面的代码：

1. #include
2. using namespace std;
3.  
4. class B
5. {
6.   int b;
7.   public:
8.     virtual ~B(){ cout <<"B::~B()"<<endl; }
9. };
10.  
11. class D: public B
12. {
13.   int i;
14.   public:
15.     virtual ~D() { cout <<"D::~D()"<<endl; }
16. };
17.  
18. int main(void)
19. {
20.     cout << "sizeB:" << sizeof(B) << " sizeD:"<< sizeof(D) <<endl;
21.     B *pb = new D[2];
22.  
23.     delete [] pb;
24.  
25.     return 0;
26. }

上面的代码可以正确执行，包括调用子类的虚函数！因为内存对齐了。在我的64bits的CentOS上——sizeof(B):16 ，sizeof(D):16

但是，如果你在class D中再加一个int成员的问题，这个程序就Segmentation fault了。因为—— sizeof(B):16 ，sizeof(D):24。pb[1]的虚表找到了一个错误的内存上，内存乱掉了。

再注：我在Visual Studio 2010上做了一下测试，对于 struct 来说，其表现和gcc的是一样的，但对于class的代码来说，其可以“正确调用到虚函数”无论父类和子类有没有一样的size。

然而，在C++的标准中，下面这样的用法是undefined! 你可以看看StackOverflow上的相关问题讨论：《》（同样，你也可以看看《More Effective C++》中的条款三）

Base* pBase = new Derived[10];

delete[] pBase;

现在，你终于知道Base* pBase = new Derived[10];这个问题是C语言的转型的问题，你也应该知道用于数组的指针是怎么回事了吧？