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C++ 对象模型实战（六）：多继承——多 vptr、this 调整与 adjustor thunk

发表于

这一篇解决什么问题

单继承里基类永远舒舒服服躺在偏移 0。多继承打破了这份平静：两个基类不可能同时在偏移 0。这一篇回答：

  1. 多继承对象的内部怎么摆？
  2. 指向第二个基类的指针，和对象地址还相同吗？
  3. 通过第二个基类指针调虚函数，this 是怎么”拨回”派生类的？

多继承的三个要点

要点 1：基类子对象按声明顺序排列，每个含虚函数的基类带一份 vptr。
class C : public A, public B 的布局是：A 子对象（含 A 的 vptr）→ B 子对象（含 B 的 vptr）→ C 自己的成员。C 的对象里有两个 vptr，分别服务两张虚表视角。

要点 2：指向第二个基类的指针 ≠ 对象地址。
A* pa = &c 地址不变（A 在偏移 0）；B* pb = &c 则是 &c + sizeof(A)——指针被编译器悄悄加了偏移。这个调整在指针转换时静态完成，和虚表无关。

要点 3：经第二个基类调用被重写的虚函数，需要把 this 调回去。
pb->fb() 时，pb 指向 B 子对象，但 C::fb 期望的 this 是完整的 C 对象（首地址）。差值就是 B 子对象的偏移。MSVC 的解法：C 的”B 视角虚表”里，fb 那一项存的不是 C::fb 本身，而是一小段调整桩（adjustor thunk）：先把 this 减去偏移，再跳进 C::fb。在反汇编里能看到名字带 adjustor{16} 字样的跳转目标。

验证工程

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// 多继承: 两个 vptr, 基类指针的地址偏移, this 调整 thunk, 成员函数指针.
#include <cstdio>

class A {
public:
    virtual void fa() { printf("A::fa\n"); }
    int a = 1;
};

class B {
public:
    virtual void fb() { printf("B::fb\n"); }
    int b = 2;
};

class C : public A, public B {
public:
    void fa() override { printf("C::fa this=%p\n", (void*)this); }
    void fb() override { printf("C::fb this=%p\n", (void*)this); }  // 对比 this 与 &obj/pb, 验证 this 调整.
    int c = 3;
};

int main() {
    printf("sizeof(A)=%zu  sizeof(B)=%zu  sizeof(C)=%zu\n", sizeof(A), sizeof(B), sizeof(C));

    C obj;
    A* pa = &obj;
    B* pb = &obj;
    printf("&obj=%p\n", (void*)&obj);
    printf("pa  =%p  (same as &obj)\n", (void*)pa);      // 第一个基类在偏移 0, 与 &obj 相同.
    printf("pb  =%p  (shifted from &obj)\n", (void*)pb); // 第二个基类子对象, 从 &obj 后移.

    pa->fa();
    pb->fb();   // 断点看反汇编: 经 B 的虚表跳到 adjustor thunk, 把 this 调回 C 再进 C::fb.

    // 成员函数指针在多继承下不只是个裸地址, 还要携带 this 调整信息.
    printf("sizeof(&C::fa)=%zu  sizeof(plain func ptr)=%zu\n",
           sizeof(&C::fa), sizeof(void(*)()));
}

预测输出

动手跑之前先推一遍：

  • A、B 各 16（vptr 8 + int 4 + padding 4）；C = A 16 + B 16 + int 4 + padding 4 = 40。
  • pa == &obj；pb - pa = 16：B 子对象从 A 之后开始。
  • 输出 C::fa、C::fb：多态正常，只是 pb 那一路多走了一个 adjustor thunk。
  • 成员函数指针预测为 16 字节：多继承下它除了函数地址还要携带 this 调整量，比普通函数指针（8）大。这个数字各编译器差异很大，以实测为准。

实测输出

VS2022 x64 Debug 下实际运行：

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sizeof(A)=16  sizeof(B)=16  sizeof(C)=40
&obj=000000A1894FFAD8
pa  =000000A1894FFAD8  (same as &obj)
pb  =000000A1894FFAE8  (shifted from &obj)
C::fa this=000000A1894FFAD8
C::fb this=000000A1894FFAD8
sizeof(&C::fa)=16  sizeof(plain func ptr)=8

逐行比对

  • sizeof 16/16/40：命中。
  • pa == &obj == ...FAD8：命中，第一个基类在偏移 0。
  • pb = ...FAE8，比 &obj 大 0x10（16）：命中，B 子对象从 A 之后开始，指向 B 的指针被编译器悄悄加了 sizeof(A) 的偏移。
  • sizeof(&C::fa)=16，普通函数指针 8：命中，多继承下成员函数指针携带 this 调整信息，体积翻倍。

this 调整的实测验证

最后两行是这篇文章最直接的证据。C::fb 是经由 pb（指向 B 子对象，…FAE8）调用的，调用约定里 rcx 装的也是 pb；但函数体里打印出来的 this 却是 ...FAD8，和 &obj 完全一致——中间有人把 this 减了 16，这就是 adjustor thunk 干的活。对照组 C::fa 经 pa（第一基类，偏移 0）调用，this 本来就等于 &obj，不需要调整。

值得记录的一次弯路：我先在反汇编里单步找 thunk，调用点（mov rcx,[pb]; call [rax]）和单继承长得一模一样，F11 跟进增量链接跳转表（ILT）后直接落到了 C::fb 函数体，没看到预想中的 sub rcx, 16，一度怀疑 thunk 不存在。最后靠”让函数自己打印 this”这个更直接的办法确认了调整确实发生——thunk 是编译器生成的一小段无名代码，夹在跳转表和函数体之间，单步时容易一眼掠过。教训：验证 this 调整，打印 this 比读汇编可靠。

用 /d1 让编译器自证

/d1 reportAllClassLayout 对 class C 的报告（去掉了开头的 1> 编译器前缀）：

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class C    size(40):
    +---
 0  | +--- (base class A)
 0  | | {vfptr}
 8  | | a
    | | <alignment member> (size=4)
    | +---
16  | +--- (base class B)
16  | | {vfptr}
24  | | b
    | | <alignment member> (size=4)
    | +---
32  | c
    | <alignment member> (size=4)
    +---

C::$vftable@A@:
    | &C_meta
    |  0
 0  | &C::fa

C::$vftable@B@:
    | -16
 0  | &C::fb

C::fa this adjustor: 0
C::fb this adjustor: 16

布局部分和运行输出逐项对上：A 子对象在偏移 0（含一份 vfptr），B 子对象在偏移 16（含第二份 vfptr），c 在 32，总共 40。

最有说服力的是最后两行：C::fa this adjustor: 0、C::fb this adjustor: 16——编译器白纸黑字写明了：经 B 视角调 fb，this 要调整 16 字节。这就是 adjustor thunk 存在的官方自证。

还有一个容易漏看的细节：C::$vftable@B@ 的表头是 -16（A 视角那张是 0）。表头这一项记录的是”这个子对象离完整对象开头的偏移”，RTTI 和 dynamic_cast 靠它从基类子对象找回完整对象——上一篇结尾说 dynamic_cast 需要虚函数支持，机制上就落在这里。

小结

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多继承布局: [A 子对象(vptr1)][B 子对象(vptr2)][C 成员]
A* pa = &c: 地址不变;  B* pb = &c: 地址 + sizeof(A)
pb->fb(): B 视角虚表的表项是 adjustor thunk, 先 sub this 再进 C::fb
成员函数指针: 多继承下不是裸地址, 含 this 调整信息