二、虛繼承

1、虛繼承簡介

在多繼承中，保存共同基類的多份同名成員，可以在不同的數(shù)據(jù)成員中分別存放不同的數(shù)據(jù)，但保留多份數(shù)據(jù)成員的拷貝，不僅占有較多的存儲(chǔ)空間，增加了成員的冗余，還增加了訪問的困難。C++提供了虛基類和虛繼承機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了在多繼承中只保留一份共同成員。
C++對(duì)于菱形多繼承導(dǎo)致的成員冗余問題的解決方案是使用虛繼承。
虛繼承中，中間層父類不再關(guān)注頂層父類的初始化，最終子類必須直接調(diào)用頂層父類的構(gòu)造函數(shù)。
虛繼承的語法如下：
class 派生類名:virtual 繼承方式 基類名

2、虛繼承示例

#include 
#include 

using namespace std;

class People
{
public:
    People(string name, int age)
    {
        m_name = name;
        m_age = age;
    }
    void print()
    {
        cout << "name: " << m_name
             << " age: " << m_age <

上述代碼中，使用虛繼承解決了成員冗余的問題。
虛繼承解決了多繼承產(chǎn)生的數(shù)據(jù)冗余問題，但是中間層父類不再關(guān)心頂層父類的初始化，最終子類必須直接調(diào)用頂層父類的構(gòu)造函數(shù)。

三、多繼承派生類的對(duì)象模型

1、多繼承派生類對(duì)象的內(nèi)存布局


上述類圖中，Derived類繼承自BaseA和BaseB類，funcA和funcB為虛函數(shù)，Derived對(duì)象模型如下：


#include 
#include 

using namespace std;

class BaseA
{
public:
    BaseA(int a)
    {
        m_a = a;
    }
    virtual void funcA()
    {
        cout << "BaseA::funcA()" <a <b <c <vptrA <vptrB <

2、菱形繼承派生類對(duì)象的內(nèi)存布局

菱形繼承示例代碼如下：

#include 
#include 

using namespace std;

class People
{
public:
    People(string name, int age)
    {
        m_name = name;
        m_age = age;
    }
    void print()
    {
        cout << "name: " << m_name
             << " age: " << m_age <name1 << endl;
    cout << pTest->age1 << endl;
    cout << pTest->research << endl;
    cout << pTest->name2 << endl;
    cout << pTest->age2 << endl;
    cout << pTest->major << endl;
    cout << pTest->subject << endl;

    return 0;
}
// output:
// Doctor size: 28
// Bauer_1
// 31
// Computer
// Bauer_2
// 32
// Computer Engneering
// HPC

上述代碼中，底層子類對(duì)象的內(nèi)存局部如下：

底層子類對(duì)象中，分別繼承了中間層父類從頂層父類繼承而來的成員變量，因此內(nèi)存模型中含有兩份底層父類的成員變量。
如果頂層父類含有虛函數(shù)，中間層父類會(huì)分別繼承頂層父類的虛函數(shù)表指針，因此，底層子類對(duì)象內(nèi)存布局如下：


#include 
#include 

using namespace std;

class People
{
public:
    People(string name, int age)
    {
        m_name = name;
        m_age = age;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "name: " << m_name
             << " age: " << m_age <vptr1 << endl;
    cout << pTest->name1 << endl;
    cout << pTest->age1 << endl;
    cout << pTest->research << endl;
    cout << pTest->vptr2 << endl;
    cout << pTest->name2 << endl;
    cout << pTest->age2 << endl;
    cout << pTest->major << endl;
    cout << pTest->subject << endl;

    return 0;
}

// output:
// Doctor size: 28
// 0x405370
// Bauer_1
// 31
// Computer
// 0x40537c
// Bauer_2
// 32
// Computer Engneering
// HPC

3、虛繼承派生類對(duì)象的內(nèi)存布局

虛繼承是解決C++多重繼承問題的一種手段，虛繼承的底層實(shí)現(xiàn)原理與C++編譯器相關(guān)，一般通過虛基類指針和虛基類表實(shí)現(xiàn)，每個(gè)虛繼承的子類都有一個(gè)虛基類指針（占用一個(gè)指針的存儲(chǔ)空間，4（8）字節(jié)）和虛基類表（不占用類對(duì)象的存儲(chǔ)空間）（虛基類依舊會(huì)在子類里面存在拷貝，只是僅僅最多存在一份）；當(dāng)虛繼承的子類被當(dāng)做父類繼承時(shí)，虛基類指針也會(huì)被繼承。
在虛繼承情況下，底層子類對(duì)象的布局不同于普通繼承，需要多出一個(gè)指向中間層父類對(duì)象的虛基類表指針vbptr。
vbptr是虛基類表指針（virtual base table pointer），vbptr指針指向一個(gè)虛基類表（virtual table），虛基類表存儲(chǔ)了虛基類相對(duì)直接繼承類的偏移地址；通過偏移地址可以找到虛基類成員，虛繼承不用像普通多繼承維持著公共基類（虛基類）的兩份同樣的拷貝，節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

#include 
#include 

using namespace std;

class People
{
public:
    People(string name, int age)
    {
        m_name = name;
        m_age = age;
    }
    void print()
    {
        cout << "this: " << this <vbptr_left << endl;
    cout << *(int*)pTest->vbptr_left << endl;
    cout << pTest->research << endl;
    cout << pTest->vbptr_right << endl;
    cout << *(int*)pTest->vbptr_right << endl;
    cout << pTest->major << endl;
    cout << pTest->subject << endl;
    cout << pTest->name << endl;
    cout << pTest->age << endl;

    return 0;
}

// output:
// Doctor size: 28
// 0x40539c
// 12
// Computer
// 0x4053a8
// 0
// Computer Engneering
// HPC
// Bauer
// 30

上述代碼沒有虛函數(shù)，在G++編譯器打印結(jié)果如上，底層子類對(duì)象的內(nèi)存布局如下：


#include 
#include 

using namespace std;

class People
{
public:
    People(string name, int age)
    {
        m_name = name;
        m_age = age;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "this: " << this <vbptr_left << endl;
    cout << std::hex << *(int*)pTest->vbptr_left << endl;
    cout << std::dec << *((int*)pTest->vbptr_left+8) << endl;
    cout << std::dec << *((int*)pTest->vbptr_left+16) << endl;
    cout << std::dec << *((int*)pTest->vbptr_left+24) << endl;

    cout << pTest->research << endl;
    cout << pTest->vbptr_right << endl;

    cout << pTest->major << endl;
    cout << pTest->subject << endl;
    cout << pTest->vptr_base << endl;

    cout << pTest->name << endl;
    cout << pTest->age << endl;

    return 0;
}

上述代碼中，使用了虛繼承，因此不同的C++編譯器實(shí)現(xiàn)原理不同。
對(duì)于GCC編譯器，People對(duì)象大小為char + int + 虛函數(shù)表指針，Teacher對(duì)象大小為char+虛基類表指針+A類型的大小，Student對(duì)象大小為char+虛基類表指針+A類型的大小，Doctor對(duì)象大小為char + int +虛函數(shù)表指針+char+虛基類表指針+char+虛基類表指針+char*。中間層父類共享頂層父類的虛函數(shù)表指針，沒有自己的虛函數(shù)表指針，虛基類指針不共享，因此都有自己獨(dú)立的虛基類表指針。
VC++、GCC和Clang編譯器的實(shí)現(xiàn)中，不管是否是虛繼承還是有虛函數(shù)，其虛基類指針都不共享，都是單獨(dú)的。對(duì)于虛函數(shù)表指針，VC++編譯器根據(jù)是否為虛繼承來判斷是否在繼承關(guān)系中共享虛表指針。如果子類是虛繼承擁有虛函數(shù)父類，且子類有新加的虛函數(shù)時(shí)，子類中則會(huì)新加一個(gè)虛函數(shù)表指針；GCC編譯器和Clang編譯器的虛函數(shù)表指針在整個(gè)繼承關(guān)系中共享的。
G++編譯器對(duì)于類的內(nèi)存分布和虛函數(shù)表信息命令如下：

g++ -fdump-class-hierarchy main.cpp
cat main.cpp.002t.class

VC++編譯器對(duì)于類的內(nèi)存分布和虛函數(shù)表信息命令如下：
cl main.cpp /d1reportSingleClassLayoutX
Clang編譯器對(duì)于類的內(nèi)存分布和虛函數(shù)表信息命令如下：
clang -Xclang -fdump-record-layouts

4、多繼承派生類的虛函數(shù)表

所有的虛函數(shù)都保存在虛函數(shù)表中，多重繼承可能產(chǎn)生多個(gè)虛函數(shù)表。多繼承中，當(dāng)子類對(duì)父類的虛函數(shù)重寫時(shí)，子類的函數(shù)覆蓋父類的函數(shù)在對(duì)應(yīng)虛函數(shù)表中的虛函數(shù)位置；當(dāng)子類有新的虛函數(shù)時(shí)，新的虛函數(shù)被加到第一個(gè)基類的虛函數(shù)表的末尾。當(dāng)dynamic_cast對(duì)子類對(duì)象進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，子類和第一個(gè)基類的地址相同，不需要移動(dòng)指針，但當(dāng)dynamic_cast轉(zhuǎn)換子類到其他父類時(shí)，需要做相應(yīng)的指針調(diào)整。

四、多繼承的指針類型轉(zhuǎn)換

1、多繼承中指針類型轉(zhuǎn)換的陷阱

C++語言中，通常對(duì)指針進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，不會(huì)改變指針的值，只會(huì)改變指針的類型(即改變編譯器對(duì)該指針指向內(nèi)存的解釋方式)，但在C++多重繼承中并不成立。

#include 

using namespace std;

class BaseA
{
public:
    BaseA(int value = 0)
    {
        data = value;
    }
    virtual void printA()
    {
        cout << "BaseA::print data = " << data << endl;
    }
protected:
    int data;
};

class BaseB
{
public:
    BaseB(int value = 0)
    {
        data = value;
    }
    virtual void printB()
    {
        cout << "BaseB::print data = " << data << endl;
    }
protected:
    int data;
};

class Derived : public BaseA, public BaseB
{
public:
    Derived(int value = 0)
    {
        data = value;
    }
    virtual void printA()
    {
        cout << "Derived printA data = " << data << endl;
    }
    virtual void printB()
    {
        cout << "Derived printB data = " << data << endl;
    }
protected:
    int data;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Derived* dpd = new Derived(102);
    cout << dpd << endl;//0x8d1190
    BaseA* bpa = (BaseA*)dpd;
    cout << bpa << endl;//0x8d1190
    BaseB* bpb = (BaseB*)dpd;
    cout << bpb << endl;//0x8d1198

    cout << (dpd == bpb) << endl;//1
    return 0;
}

上述代碼中，指向Derived對(duì)象的指針轉(zhuǎn)換為基類BaseA和BaseB后，指針值并不相同。dpd指針、bpa指針與bpb指針相差8個(gè)字節(jié)的地址空間，即BaseA類虛函數(shù)表指針與data成員占用的空間。
將一個(gè)派生類的指針轉(zhuǎn)換成某一個(gè)基類指針，C++編譯器會(huì)將指針的值偏移到該基類在對(duì)象內(nèi)存中的起始位置。

cout << (dpd == bpb) << endl;//1

上述代碼打印出1，C++編譯器屏蔽了指針的差異，當(dāng)C++編譯器遇到一個(gè)指向派生類的指針和指向其某個(gè)基類的指針進(jìn)行==運(yùn)算時(shí)，會(huì)自動(dòng)將指針做隱式類型提升以屏蔽多重繼承帶來的指針差異。

2、多繼承中派生類、基類指針類型轉(zhuǎn)換

派生類對(duì)象指針轉(zhuǎn)換為不同基類對(duì)象指針時(shí)，C++編譯器會(huì)按照派生類聲明的繼承順序，轉(zhuǎn)換為第一基類時(shí)指針不變，以后依次向后偏移前一基類所占字節(jié)數(shù)。
多繼承下，指針類型轉(zhuǎn)換需要考慮this指針調(diào)整的問題。

五、多繼承應(yīng)用示例

多繼承中，如果中間層父類有兩個(gè)以上父類實(shí)現(xiàn)了虛函數(shù)，會(huì)造成子類產(chǎn)生多個(gè)虛函數(shù)表指針，可以使用dynamic_cast關(guān)鍵字作類型轉(zhuǎn)換。
工程實(shí)踐中通常使用單繼承某個(gè)類和實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口解決多繼承的問題。
代碼實(shí)例：

#include 
#include 

using namespace std;

class Base
{
protected:
    int mi;
public:
    Base(int i)
    {
        mi = i;
    }
    int getI()
    {
        return mi;
    }
    bool equal(Base* obj)
    {
        return (this == obj);
    }
};

class Interface1
{
public:
    virtual void add(int i) = 0;
    virtual void minus(int i) = 0;
};

class Interface2
{
public:
    virtual void multiply(int i) = 0;
    virtual void divide(int i) = 0;
};

class Derived : public Base, public Interface1, public Interface2
{
public:
    Derived(int i) : Base(i)
    {
    }
    void add(int i)
    {
        mi += i;
    }
    void minus(int i)
    {
        mi -= i;
    }
    void multiply(int i)
    {
        mi *= i;
    }
    void divide(int i)
    {
        if( i != 0 )
        {
            mi /= i;
        }
    }
};

int main()
{
    Derived d(100);
    Derived* p = &d;
    Interface1* pInt1 = &d;
    Interface2* pInt2 = &d;

    cout << "p->getI() = " << p->getI() << endl;    // 100

    pInt1->add(10);
    pInt2->divide(11);
    pInt1->minus(5);
    pInt2->multiply(8);

    cout << "p->getI() = " << p->getI() << endl;    // 40

    cout << endl;

    cout << "pInt1 == p : " << p->equal(dynamic_cast(pInt1)) << endl;
    cout << "pInt2 == p : " << p->equal(dynamic_cast(pInt2)) << endl;

    return 0;
}

在程序設(shè)計(jì)中最好不要出現(xiàn)多繼承，要有也是繼承多個(gè)作為接口使用抽象類(只聲明需要的功能，沒有具體的實(shí)現(xiàn))。因?yàn)槌霈F(xiàn)一般的多繼承本身就是一種不好的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。

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