Несоответствие адреса 'this', когда базовый класс не полиморфен, но является производным

Когда у вас есть полиморфная иерархия классов с одинарным наследованием, типичное соглашение, которому следуют большинство (если не все) компиляторы, заключается в том, что каждый объект в этой иерархии должен начинаться с указателя VMT (указателя на таблицу виртуальных методов). В таком случае указатель VMT вводится в структуру объектной памяти раньше: корневым классом полиморфной иерархии, в то время как все низшие классы просто наследуют его и устанавливают так, чтобы он указывал на свой собственный VMT. В таком случае все вложенные подобъекты в любом производном объекте имеют одинаковое значение this. Таким образом, считывая ячейку памяти в *this, компилятор получает немедленный доступ к указателю VMT независимо от фактического типа подобъекта. Именно это и произошло в вашем последнем эксперименте. Когда вы делаете корневой класс полиморфным, все значения this совпадают.

Однако, когда базовый класс в иерархии не полиморфен, он не вводит указатель VMT. Указатель VMT будет представлен самым первым полиморфным классом где-то ниже в иерархии. В таком случае популярным подходом реализации является вставка указателя VMT перед данными, введенными неполиморфной (верхней) частью иерархии. Это то, что вы видите во втором эксперименте. Схема памяти для Derived выглядит следующим образом

+------------------------------------+ <---- `this` value for `Derived` and below
| VMT pointer introduced by Derived  |
+------------------------------------+ <---- `this` value for `Base` and above
| Base data                          |
+------------------------------------+
| Derived data                       |
+------------------------------------+

Между тем, все классы в неполиморфной (верхней) части иерархии не должны ничего знать о каких-либо указателях VMT. Объекты типа Base должны начинаться с поля данных Base::x. При этом все классы в полиморфной (нижней) части иерархии должны начинаться с указателя VMT. Чтобы удовлетворить оба этих требования, компилятор вынужден корректировать значение указателя объекта по мере его преобразования вверх и вниз по иерархии из одного вложенного базового подобъекта в другой. Это сразу означает, что преобразование указателя через полиморфную / неполиморфную границу больше не является концептуальным: компилятор должен добавить или вычесть некоторое смещение.

Подобъекты из неполиморфной части иерархии будут иметь общее значение this, в то время как подобъекты из полиморфной части иерархии будут иметь собственное, другое значение this.

Добавление или вычитание некоторого смещения при преобразовании значений указателя по иерархии не является чем-то необычным: компилятор должен делать это все время при работе с иерархиями с множественным наследованием. Однако ваш пример показывает, как этого можно достичь и в иерархии с одиночным наследованием.

Эффект сложения / вычитания также будет обнаружен при преобразовании указателя.

Derived *pd = new Derived;
Base *pb = pd; 
// Numerical values of `pb` and `pd` are different if `Base` is non-polymorphic
// and `Derived` is polymorphic

Derived *pd2 = static_cast<Derived *>(pb);
// Numerical values of `pd` and `pd2` are the same

Это похоже на поведение типичной реализации полиморфизма с указателем v-таблицы в объекте. Базовый класс не требует такого указателя, поскольку у него нет виртуальных методов. Это экономит 4 байта в размере объекта на 32-битной машине. Типичный макет:

+------+------+------+
|   x  |   y  |   z  |
+------+------+------+

    ^
    | this

Однако класс Derived действительно требует указателя v-таблицы. Обычно сохраняется со смещением 0 в компоновке объекта.

+------+------+------+------+
| vptr |   x  |   y  |   z  |
+------+------+------+------+

    ^
    | this

Таким образом, чтобы заставить методы базового класса видеть тот же макет объекта, генератор кода добавляет 4 к указателю this перед вызовом метода базового класса. Конструктор видит:

+------+------+------+------+
| vptr |   x  |   y  |   z  |
+------+------+------+------+
           ^
           | this

Это объясняет, почему вы видите, что к значению указателя this в конструкторе Base добавлено 4.

С технической точки зрения, как раз и происходит.

Однако следует отметить, что согласно спецификации языка, реализация полиморфизма не обязательно связана с vtables: это то, что указано в spec. определяется как «деталь реализации», которая выходит за рамки спецификации.

Все, что мы можем сказать, это то, что this имеет тип и указывает на то, что доступно через его тип. То, как происходит разыменование на члены, опять же, является деталью реализации.

Тот факт, что pointer to something при преобразовании в pointer to something else, будь то неявное, статическое или динамическое преобразование, должен быть изменен с учетом того, что происходит вокруг, должен рассматриваться как правило, а не исключение .