C++ 中多重继承虚继承（virtual inheritance）中 **vbptr** 和 **vbtable** 的实现机制、存储位置和工作原理

1.虚继承

1.1. 背景及概念

• 虚继承 (virtual inheritance) 用于解决多重继承中“菱形继承”导致的基类多份副本问题。
• 为支持虚继承，编译器生成额外的数据结构，主要有：
  • vbptr (virtual base pointer)：虚基指针，存储在虚继承子类对象中，指向对应的 vbtable。
  • vbtable (virtual base table)：虚基表，存储虚基类相对于派生类对象的偏移信息等。

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1.2. vbptr 和 vbtable 的定义和作用

名称	作用	存储位置
vbptr	指向 vbtable 的指针，存放在虚继承类对象的内存布局中（成员指针）	对象本身（通常放在对象的开始处） - 栈上或堆上，属于对象内存
vbtable	存储虚基类子对象相对派生类对象的偏移量等辅助信息	只读静态数据区（程序的只读数据段）或常量区

• vbptr 是对象内的数据成员，随着对象实例存在，因此它在栈上（局部对象）或堆上（new 分配对象）或全局对象中都有。
• vbtable 是编译器生成的辅助静态表，针对类类型被唯一存储，类似于 vtable 存放位置。

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1.3. vbptr 和 vbtable 是否相邻？

• vbptr 是对象内成员，存放于对象内存布局中，vtable 指针也是类似存储在对象内（通常在对象开始部分）。
• vbtable 是静态常量数据，存储在程序的只读数据区，它们不物理相邻，分别位于不同内存区域。

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1.4. vbptr 指针偏移与 vbtable 元素关联

• vbptr 指向对应类的 vbtable。
• vbtable 中存储了多组偏移量（偏移虚基类子对象在整个派生类对象中的位置）。
• 当访问虚继承的基类成员时，编译器通过对象的 vbptr 读取对应的 vbtable 表，找到虚基类子对象的偏移，从而正确访问虚基类数据。

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2.辨析！

> vbptr是用来指向vbtable的起始位置？还是指向表中的元素的偏移位置？表的起始位置不需要vbptr给出？vbptr是负责指向表中的成员？表的地址通过其他的方式获取？

vbptr 的作用是：存放一个指针，指向对应虚继承子对象的 vbtable 表的起始位置。

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2.1.详细说明：

• vbptr 是指向整个 vbtable 的指针，而不是指向 vbtable 中某个具体元素的偏移。
• 换句话说，vbptr 直接保存的是 vbtable 首地址。
• 通过 vbptr，程序可以访问整个 vbtable 表，从而读取其中的偏移量数据。

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2.2.为什么 vbptr 指向表起始位置？

• vbtable 中通常存储多条偏移信息，用来支持多个虚基类或多种虚继承情况。
• 如果 vbptr 只指向某个偏移元素，访问其他偏移就非常麻烦。
• 因此设计为指向表头，再加上索引访问即可方便读取所有偏移。

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2.3.vbtable 地址的获取

• vbtable 是编译器在静态存储区生成的只读数据结构。
• 编译器在生成虚继承类的对象布局时，会把 vbptr 放入对象中，指向该静态表。
• 程序运行时，访问虚基类成员时通过对象中的 vbptr 访问表，动态计算虚基类子对象地址。

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关键点!

• 虚基类的成员布局由虚基类本身定义和管理，存储在虚基类子对象内。
• 虚继承时，派生类对象只保留一份虚基类子对象，这个子对象的地址通过 vbtable 中的偏移找到。
• 访问虚基类成员，先通过虚继承子对象的 vbptr 取到 vbtable，然后通过偏移定位虚基类子对象，再访问虚基类成员。

2.5.虚基类内成员的类型和数量对 vbtable 的影响

虚基类成员多样化（int, char, 指针，甚至嵌套类）

• 虚基类成员的类型和数量，并不直接影响 vbtable 的内容结构。
• vbtable 存储的不是虚基类成员的具体信息（如类型、大小、成员偏移等），而是虚基类 子对象 在派生对象中的 偏移量。
• 换句话说，vbtable 只关心虚基类整体在整个对象中的地址偏移。

>虚基类的成员布局由虚基类本身定义和管理，存储在虚基类子对象内!

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3. 虚基类成员的访问过程

3.1.示例和流程

假设：

class A {
public:
    int a;    // offset 0
    char b;   // offset 4 (可能有对齐)
    int* c;   // offset 8
};

class B : virtual public A {
    int x;
};

class C : virtual public A {
    int y;
};

class D : public B, public C {
    int z;
};

• A 中成员 a,b,c 的偏移、类型、大小在 A 的类型定义中是固定的。

• D 的对象布局中有且只有一份 A 子对象。

• D 的某个子对象（如 B 或 C）有 vbptr 指针，指向 vbtable。

• vbtable 中的偏移值（如 40）表示从 D 对象起始地址算起，虚基类 A 子对象的位置。

• 访问 A::a 时：

  • 用当前对象的 vbptr 找到 vbtable
  • 从 vbtable 读取偏移值（例如 40）
  • 计算虚基类子对象地址为 this + 40
  • 再用 A 内部定义的成员偏移访问 a（即偏移0）
  • b、c 也是类似流程，偏移是相对于 A 子对象

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3. 2总结

内容	存储位置	备注
虚基类成员（a,b,c等）	虚基类子对象内	按该类定义的成员布局存储
vbtable 中的元素	存储虚基类子对象在派生类对象中的偏移	每个虚基类一条偏移，不存成员信息
vbptr 指向的地址	指向 vbtable 起始地址	通过它访问虚基类子对象偏移

方面	说明
vbtable 元素含义	虚基类子对象在最派生对象中的偏移，不是虚基类成员信息
访问虚基类成员	先用 vbptr 找到 vbtable，读偏移找虚基类子对象，再按虚基类类型访问成员
vbptr 与 vptr	是不同指针，分别指向虚基表和虚函数表
vbptr 存储位置	对象内（栈上/堆上对象内存）
vbtable 存储位置	静态只读数据段

问题	答案
vbptr 指向的是什么？	指向整个 vbtable 表的起始位置
vbptr 是指向表中某个元素吗？	不是，指向表头，元素通过索引访问
vbtable 地址如何获得？	编译器静态生成，vbptr 存储该地址

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3.3.构建 vbptr 和 vbtable 的实现示范

为了帮助理解，下面用伪代码和注释模拟虚继承中 vbptr 和 vbtable 的实现过程：

#include 
#include 

struct VirtualBaseTable {
    ptrdiff_t offset_to_virtual_base;  // 虚基类子对象相对派生类对象的偏移
};

// 模拟虚基类
struct A {
    int a;
    char b;
    int* c;

    void print() {
        std::cout << "A::a=" << a << ", b=" << (int)b << ", *c=" << (c ? *c : 0) << "\n";
    }
};

// 派生类带 vbptr
struct B {
    VirtualBaseTable* vbptr;  // vbptr，指向静态的虚基表
    int x;

    // 访问虚基类成员的辅助函数
    A* getVirtualBase() {
        // 通过 vbptr 读取偏移，计算虚基类子对象指针
        char* base_addr = reinterpret_cast<char*>(this);
        return reinterpret_cast<A*>(base_addr + vbptr->offset_to_virtual_base);
    }
};

int main() {
    // 假设虚基类 A 在 B 中的偏移是 16
    VirtualBaseTable vbtable_for_B = {16};

    // 构造 B 对象
    char buffer[64] = {0};
    B* b = reinterpret_cast<B*>(buffer);

    // 设置 vbptr 指向静态虚基表
    b->vbptr = &vbtable_for_B;

    // 假设虚基类 A 子对象位于 buffer + 16
    A* a = reinterpret_cast<A*>(buffer + 16);
    a->a = 42;
    a->b = 7;
    int value = 100;
    a->c = &value;

    // B 的成员
    b->x = 123;

    // 通过 vbptr 访问虚基类成员
    A* virtual_base_ptr = b->getVirtualBase();
    virtual_base_ptr->print();

    return 0;
}

说明

• vbtable_for_B 是静态数据，存储虚基类相对于派生类对象的偏移。
• vbptr 是对象内的成员，指向该静态表。
• 访问虚基类要先通过 vbptr 找到偏移，再计算出虚基类子对象地址。
• 复杂的多重继承和多虚继承，vbtable 会有多条偏移数据，vbptr 指向表头，通过索引访问。

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问题辨析

问题一：

“vbtable 中存储了多组偏移量（偏移虚基类子对象在整个派生类对象中的位置）。”

vbtable不是只记录基类的对象相对于当前对象的偏移量吗？一个偏移量不是只需要一个数就够了，为什么会存储多组？这里的含义是一个类同时虚继承多个类，然后它的vbtable中就会含有多个虚基类的对象各自的偏移量（相对于当前的派生类的对象）？这也就是为什么不能直接由vbptr来记录直接记录虚基类对象的偏移量，因为可能虚继承了多个虚基类，需要一张表来记录多个偏移量？

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1. vbtable 存储多组偏移量的原因

• vbtable 记录的是“虚基类子对象相对于当前派生类对象”的偏移量集合，这是因为：

  • 一个类可能 虚继承多个虚基类，比如：

    class A { ... };
    class B { ... };
    class C : virtual public A, virtual public B { ... };
    

  • 对于类 C，它同时虚继承了 A 和 B，那么 C 的对象中包含两个虚基类子对象。

• 因此，C 的 vbtable 中需要记录 多个偏移量，每个偏移量对应一个虚基类子对象在 C 对象布局中的位置。

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2. 为什么不能直接用一个 vbptr 记录单个偏移量？

• 如果只用一个指针（或一个偏移量）记录虚基类的位置，只能指向一个虚基类子对象。

• 但是现实中：

  • 可能存在多个虚基类；
  • 每个虚基类子对象的位置不同；
  • 需要一张表（vbtable）来存储所有虚基类相对偏移。

• 所以 vbptr 是指向这张表的指针，由表中不同的索引访问对应虚基类的偏移量。

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3. 具体流程示意

假设类 D 虚继承了两个虚基类 A 和 B，对象布局中：

• vbptr 指向 D 类的 vbtable。

• vbtable 中存储：

  索引	偏移量 (offset)	说明
  0	offset_of_A	虚基类 A 在 D 对象中的偏移
  1	offset_of_B	虚基类 B 在 D 对象中的偏移

• 访问虚基类 A 时，通过 vbptr 查表索引 0 得偏移，计算地址。

• 访问虚基类 B 时，通过 vbptr 查表索引 1 得偏移，计算地址。

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4. 总结

角色	作用
vbptr	指向虚基类偏移表（vbtable）的指针
vbtable	存储虚继承类所有虚基类子对象相对于当前对象的偏移集合

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5. 简要回答

• vbtable 是存多组偏移量的，因为一个类可能同时虚继承多个虚基类。

• 这就是为什么不能用一个单独的偏移量来记录虚基类子对象的位置，而是需要用一个表来存储多个偏移量。

• vbptr 指向这张虚基类偏移量表，用于动态访问对应虚基类的子对象。

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问题二

既然vbptr都是指向vbtable，那么vbptr的值应当是一样的，为什么多个对象不共用一个vbptr，使用静态类型的指针?而是每个对象各自一份？是为了让这个指针保留在对象中，从而实现某些功能？而不是独立的布局于静态区吗？

这个问题非常关键，涉及 C++ 虚继承时 vbptr 设计为“对象内成员指针”而非全局静态指针的原因。下面详细分析。

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1. vbptr 是对象内成员指针，为何不设计为静态共享指针？

• 确实，多个同类型对象的 vbptr 指向同一个静态 vbtable，数值内容相同。

• 但编译器设计时，vbptr 不是静态变量，而是对象内的非静态成员指针。

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2. 为什么每个对象需要自己持有一份 vbptr？

主要原因：支持多态和复杂的多继承布局

• 支持多态对象的布局差异：
  不同对象可能是从不同派生类实例化，在复杂继承体系中，对象布局和虚基类偏移可能不同。
  例如，B 和 C 虚继承 A，而 D 又继承 B 和 C，D 的对象布局会有所不同，vbptr 可能指向不同的 vbtable。
  如果 vbptr 是静态共享指针，就无法准确反映每个对象的真实布局。

• 支持运行时类型信息（RTTI）和动态类型转换：
  vbptr 作为对象内的成员，能随对象动态调整（例如多态转换时），保证访问虚基类的偏移正确。

• 允许对象复制和移动后保持一致性：
  如果 vbptr 是静态全局变量，拷贝对象时需要额外处理指针；作为对象成员，拷贝时 vbptr 自动复制，省事且语义清晰。

• 方便调试和异常处理：
  对象内结构完整，vbptr 包含在对象布局中，有利于调试器跟踪对象状态，正确恢复虚基类状态。

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3. vbptr 不与静态区共存的原因

• 静态指针无法表达对象的 具体实例布局差异。

• 对象实例可能因派生类不同、内存对齐或运行时情况（比如动态加载类）而有不同的 vbptr 值。

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4. 总结：对象内保存 vbptr 的功能和意义

功能	说明
反映对象实际布局	每个对象拥有自己的 vbptr，指向对应派生类的正确 vbtable
支持多态和动态绑定	对象类型转换时，vbptr 指向可随对象改变（如虚继承链变化）
自动随对象拷贝和析构	对象复制时，vbptr 自动复制，保证虚基类访问正确
调试和异常处理友好	对象内有完整布局，调试器可读取 vbptr 信息辅助诊断

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5. 形象对比

设计方案	优点	缺点
静态全局 vbptr	节省空间	无法支持不同对象的不同布局
对象内非静态 vbptr	灵活且支持多态和复杂布局	每个对象多占用指针大小内存空间

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6. 空间开销 vs 功能权衡

• vbptr 指针大小通常是机器字长（4 或 8 字节），相比复杂虚继承带来的灵活性和正确性优势，这点空间开销是合理且必要的。

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7. 总结

说法	正确解释
vbptr 数值相同应设计成静态指针	被否定，因为不同对象布局可能不同，静态指针无法适应多态布局变化
每个对象持有各自 vbptr 有意义吗？	有，确保每个对象能正确定位虚基类，支持多态、类型转换、拷贝等功能

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问题3

vbptr指向的是vbtable的首地址，vbtable是只有一份的。那么当一个类同时虚继承了多个虚基类，它也只会有一张vbtable.
每一个对象只会有一份vbptr，用来指向这张vbtable的首地址?
而不是一个对象中会为每个虚继承的类各自设置一个vbptr?
那么同时继承了多个虚基类的这个派生类，只通过vbptr拿到了vbtable的首地址，它要如何确定vbtable中多个元素分别对应的是哪一个虚基类的偏移量呢？通过符号进行匹配吗？

下面详细梳理虚继承中 vbptr 和 vbtable 的设计细节，尤其是多虚基类情况下的管理和定位机制。

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1. 一个类虚继承多个虚基类时，vbtable 和 vbptr 的数量关系

• 一个类（派生类）不论虚继承多少个虚基类，通常只会有一张对应该类的 vbtable。

• 每个该类的对象仅包含一个 vbptr 指针，指向这张唯一的 vbtable。

• 不会在一个对象中为每个虚基类设置多个 vbptr。

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2. vbtable 中多个偏移量如何对应多个虚基类？

• vbtable 是一张偏移量表，表中的每个条目对应一个虚基类子对象相对于当前类对象的偏移。

• 编译器会在编译期确定该类的虚基类列表及顺序，并以固定顺序将对应虚基类的偏移量写入 vbtable。

• 这种“顺序”是编译器内部约定的，并不是通过运行时符号匹配。

• 访问时，编译器生成的代码知道需要访问哪一个虚基类的偏移量，使用对应的索引访问 vbtable中的偏移值。

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3. 如何在代码中定位对应虚基类的偏移？（示意）

• 假设类 D 虚继承了虚基类 A 和 B，编译器生成的 D 的 vbtable 是：

  vbtable_D = [ offset_to_A, offset_to_B ]
  

• 编译器内部维护虚基类顺序（例如 A 是索引0，B 是索引1）。

• 在访问 A 时，编译器发出指令：

  • 取 vbptr 指向的 vbtable_D
  • 读索引0的偏移量
  • 计算虚基类 A 子对象地址 = this + offset_to_A

• 访问 B 时类似，使用索引1。

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4. 是否通过符号匹配？

• 不是的，运行时不存在符号匹配过程。

• 这些信息都是编译期确定的静态约定，固化在编译生成的代码中。

• 运行时的 vbptr 和 vbtable 只是简单指针与偏移值，访问时依赖编译器生成的代码索引。

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5. 总结

问题	答案
多虚基类时 vbtable 数量	只有一张，包含所有虚基类偏移
多虚基类时对象中 vbptr 数量	只有一个，指向该类唯一的 vbtable
vbtable 如何对应虚基类	编译期确定虚基类顺序，偏移按顺序存储，访问时用索引访问
是否运行时符号匹配	否，全部静态确定，没有运行时开销

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6. 类比

vbptr --> | vbtable: [ offset_A, offset_B, offset_C ... ] |

访问虚基类X时：
    offset = vbtable[ index_of_X ]
    base_ptr = this + offset

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7. 附注

• 由于虚继承复杂，编译器（如 GCC/Clang/MSVC）生成的符号和链接信息中也会有虚基类信息表辅助调试，但这属于调试符号，不影响运行时访问机制。

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8.一个示例和解析

#include 

// 虚基类 A
class A {
public:
    int a;
    virtual void foo() { std::cout << "A::foo\n"; }
};

// 虚基类 B
class B {
public:
    int b;
    virtual void bar() { std::cout << "B::bar\n"; }
};

// 派生类 C 同时虚继承 A 和 B
class C : virtual public A, virtual public B {
public:
    int c;
    void foo() override { std::cout << "C::foo\n"; }
    void bar() override { std::cout << "C::bar\n"; }
};

int main() {
    C obj;

    // 访问虚基类成员
    obj.a = 10;
    obj.b = 20;
    obj.c = 30;

    std::cout << "obj.a = " << obj.a << '\n';
    std::cout << "obj.b = " << obj.b << '\n';
    std::cout << "obj.c = " << obj.c << '\n';

    // 虚函数调用
    A* pa = &obj;
    B* pb = &obj;

    pa->foo(); // 通过 A 的指针调用，实际调用 C::foo()
    pb->bar(); // 通过 B 的指针调用，实际调用 C::bar()

    return 0;
}

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说明

• 类 C 虚继承了两个虚基类 A 和 B。
• C 的对象 obj 只有一份 A 和 B 的子对象。
• 编译器为 C 生成一个 vbtable，其中存储了 A 和 B 虚基类子对象相对于 C 对象的偏移。
• 每个 C 对象中都有一个 vbptr，指向这张 vbtable。

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结合编译器输出查看（GCC）

编译时加上调试和类层次信息：

g++ -g -fdump-class-hierarchy=classes.cpp classes.cpp -o test

你可以在生成的文件中看到类似：

Vtable for C (offset 0):
  0 | 0x0 (int offset_to_A)
  1 | 0x8 (int offset_to_B)

这就是 vbtable 中存储的偏移。

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访问虚基类成员偏移示意

• vbptr 指向 vbtable
• vbtable[0] 偏移是 A 子对象在 C 对象内的偏移
• vbtable[1] 偏移是 B 子对象在 C 对象内的偏移
• 访问 A::a 时用 obj + vbtable[0] + offsetof(A,a)
• 访问 B::b 时用 obj + vbtable[1] + offsetof(B,b)

---

模拟实现

#include 
#include 

// 模拟虚基类A
struct A {
    int a;
    void foo() { std::cout << "A::foo, a = " << a << std::endl; }
};

// 模拟虚基类B
struct B {
    int b;
    void bar() { std::cout << "B::bar, b = " << b << std::endl; }
};

// 模拟虚继承派生类C，同时虚继承A和B
struct C {
    // vbptr指针：指向vbtable（虚基表）
    ptrdiff_t* vbptr;

    int c;

    // 访问虚基类A的辅助函数
    A* getA() {
        // vbtable的第0个元素是A相对C对象的偏移
        ptrdiff_t offset_to_A = vbptr[0];
        // 计算虚基类A子对象地址
        return reinterpret_cast<A*>(reinterpret_cast<char*>(this) + offset_to_A);
    }
    // 访问虚基类B的辅助函数
    B* getB() {
        // vbtable的第1个元素是B相对C对象的偏移
        ptrdiff_t offset_to_B = vbptr[1];
        // 计算虚基类B子对象地址
        return reinterpret_cast<B*>(reinterpret_cast<char*>(this) + offset_to_B);
    }
};

// 静态虚基表，存放虚基类子对象相对派生类C对象的偏移量
ptrdiff_t vbtable_for_C[] = {
    offsetof(C, c) + sizeof(int),  // 假设A放在c后面，这里是示意偏移，用实际布局调整
    offsetof(C, c) + sizeof(int) + sizeof(A) // B紧随A后面
};

int main() {
    // 创建一块内存模拟C对象（包含C、A、B子对象）
    // 注意：这里是模拟，实际对象布局编译器会调整对齐和偏移
    struct RawMemory {
        C c_part;
        A a_part;
        B b_part;
    } obj;

    obj.c_part.vbptr = vbtable_for_C;
    obj.c_part.c = 100;
    obj.a_part.a = 10;
    obj.b_part.b = 20;

    // 访问虚基类A成员
    A* pa = obj.c_part.getA();
    pa->foo();

    // 访问虚基类B成员
    B* pb = obj.c_part.getB();
    pb->bar();

    // 访问派生类C成员
    std::cout << "C::c = " << obj.c_part.c << std::endl;

    return 0;
}

---

说明：

• vbptr 是 C 对象中的一个指针，指向 vbtable_for_C。
• vbtable_for_C 存储两个偏移量，分别表示虚基类 A 和 B 子对象相对于 C 对象的偏移。
• getA() 和 getB() 分别通过 vbptr 读取对应偏移，计算虚基类对象的地址。
• 这里的偏移量计算是示意，实际编译器会根据内存对齐和继承布局自动调整。

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如果想要更精确的内存布局，可结合编译器特性输出实际偏移，然后修改 vbtable_for_C 中的值模拟实际偏移。