前言
windbg是windows平台下C++开发调试的工具，常用于分析软件崩溃，也是学习C++开发的利器。windbg功能很强大，通过它的命令，我们能看到软件底层的实现原理。本系列文章就是借助windbg工具，对C++的实现原理进行深入分析。本文使用windbg分析C++的多重继承的实现原理，主要涉及的内容是：
- 多重继承的内存分布
- 多重继承的类型转换
通过源码分析多重继承的空间占用
先来看看源码，定义了3个类，CC继承自CA和CB。
说明：为了实现方便，所有源码会采用了C++11的语法，编译环境为VS2017，默认编译选项为Win32。
#include <iostream>
using namespace std;
class CA {
public:
virtual void FunA() {}
int a = 1;
};
class CB {
public:
virtual void FunB() {}
int b = 2;
};
class CC : public CA, public CB {
public:
virtual void FunC() {}
int c = 3;
};
int main() {
// 打印出各个类占用空间大小
cout << "sizeof CA : " << sizeof(CA) << endl;
cout << "sizeof CB : " << sizeof(CB) << endl;
cout << "sizeof CC : " << sizeof(CC) << endl;
// 安全的向上类型转换
CC* pc = new CC();
CA* pa = pc;
CB* pb = pc;
// 不安全的向下类型转换
CC* pc21 = (CC*)pa;
CC* pc22 = (CC*)pb;
// 错误的类型转换
CA* pa31 = (CA*)pb;
CB* pb31 = (CB*)pa;
CB* pb32 = reinterpret_cast<CB*>(pc);
delete pc;
return 0;
}
设置断点
设置断点的过程如下：
- 通过x命令找到main函数的地址。
- 在main函数的地址上设置断点，使用g命令继续运行，程序会在main函数入口处挂起，并在左侧窗口打开代码。
- 鼠标点击代码delete pc;所在行，按下F9设置断点，然后g命令继续运行，程序会在代码delete pc;所在行挂起。
后面的操作会在这个断点下进行。
相关的操作的命令如下：
0:000> x sample!main*
00911600 sample!main (void)
0:000> bp 00911600
0:000> g
占用内存分析
先通过打印出来的日志，看下各个类占用的内存大小。
sizeof CA : 8
sizeof CB : 8
sizeof CC : 20
其中，CC的大小是CA+CB再加上一个int的大小，说明CC是包含了CA和CB的虚函数表指针。通过windbg命令来看下。
0:000> dt pc
Local var @ 0x53fe9c Type CC*
0x0068be88
+0x000 __VFN_table : 0x00919b84
+0x004 a : 0n1
+0x008 __VFN_table : 0x00919b94
+0x00c b : 0n2
+0x010 c : 0n3
运行结果显示，CC的内存分布依次是
- CA的虚函数表指针
- CA的成员变量a
- CB的虚函数表指针
- CB的成员变量b
- CC的成员变量c
向上转换
向上转换，即从子类转换为父类，是安全的。先来看看转换后的内存地址和结构。
0:000> dt pa
Local var @ 0x53fe98 Type CA*
0x0068be88
+0x000 __VFN_table : 0x00919b84
+0x004 a : 0n1
0:000> dt pb
Local var @ 0x53fe94 Type CB*
0x0068be90
+0x000 __VFN_table : 0x00919b94
+0x004 b : 0n2
由于CA位于CC的头部，两者地址是一样的，转换是直接转换就可以，但是CB跟CC是有8个字节的偏移的。这个向上转换是静态转换，编译的时候就已经完成，因为编译器知道类的内存结构，在生成汇编代码的时候，只需要偏移8个字节。通过反汇编的代码也说明了这一点。可通过uf main来反汇编整个main函数，下面节选了从pc转换到pb附近的反汇编代码，其中add ecx,8就是处理偏移量。
0:000> uf main
29 00911719 8b4dfc mov ecx,dword ptr [ebp-4]
29 0091171c 83c108 add ecx,8
29 0091171f 894dd0 mov dword ptr [ebp-30h],ecx
29 00911722 eb07 jmp sample!main+0x12b (0091172b)
向下转换
向下转换，即从父类转换到子类，不一定是安全的，因为父类可能仅仅是个父类。本示例中，以为是简单已知的模型，知道是能正确转换，仅为了说明转换的实现原理。这里的类CB转换到类CC，编译器也是通过计算偏移量实现，正好跟向上转换是反向操作，执行代码是sub ecx,8。
0:000> uf main
32 0091173d 8b4df4 mov ecx,dword ptr [ebp-0Ch]
32 00911740 83e908 sub ecx,8
32 00911743 894dcc mov dword ptr [ebp-34h],ecx
32 00911746 eb07 jmp sample!main+0x14f (0091174f)
危险的类型转换
如果两个类之间没有继承关系，如果使用()进行类型转换的话，编译就只能使用地址强制转换了。这样的操作是非常危险的。我这个例子中，由于CA和CB的内存结构相同，转换后并不会造成崩溃，但是里面的值是交换的。如果程序继续运行，结果可能就是不符合预期的。
0:000> dt pa31
Local var @ 0x53fe88 Type CA*
0x0068be90
+0x000 __VFN_table : 0x00919b94
+0x004 a : 0n2
0:000> dt pb31
Local var @ 0x53fe84 Type CB*
0x0068be88
+0x000 __VFN_table : 0x00919b84
+0x004 b : 0n1
结语
类的类型转换，在实际使用过程中，很容易造成各种问题。如果使用了多重继承，更是加大了出现问题的概率。了解了多重继承的原理，我们在实际调试中，才能更好去调试软件的异常，从而修复并规避相关问题的出现。
