【C++历险记】面向对象|菱形继承及菱形虚拟继承

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收录于专栏【C++之路】
本专栏旨在记录C++的学习路线，望对大家有所帮助‍
希望我们一起努力、成长，共同进步。

一、多继承以及菱形继承

单继承：一个子类只有一个直接父类时称这个继承关系为单继承。

比如：

多继承：一个子类有两个或以上直接父类时称这个继承关系为多继承。

比如：

菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况，指一个派生类直接或间接地从两个或者更多个基类继承成员，而这些基类又直接或间接地继承自同一个基类。

比如：

下面是两种简单的菱形继承的模型：

二、多继承引发的问题

C++继承体系中的多继承虽然给我们提供了代码的灵活性和重用性，但是也会引发一些问题：多继承会引发菱形继承问题，而菱形继承问题又会引发菱形虚拟继承问题。

下面来看菱形继承的问题：

上面的对象成员模型构造中，可以看出菱形继承有数据冗余和二义性的问题。在Assistant的对象中Person成员会有两份（即_age有两份）。

• 数据冗余问题（本质就是浪费空间）：存在数据重复的问题，比如Person中的_age要存储两份。
• 二义性问题：访问不明确，如下图。
  

多继承二义性问题的解决方式

C++是如何解决多继承带来的二义性问题呢？

方式一：作用域解析运算符

我们可以通过作用域解析运算符，即::来解决多继承中的二义性问题。使用作用域解析运算符来明确指定调用哪个基类的成员函数或变量。
请看：

方式二：虚拟继承

虚拟继承：用于解决菱形继承或多继承中的二义性问题的一种机制。通过使用virtual关键字，在继承链中只创建一个共同基类的实例，从而避免了二义性。

请看：

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	int _age;
};
class Student : virtual public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person
	
{
protected:
	int _id; // 职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
void Test1()
{
	Assistant as;
	as.Student::_age = 18;
	as.Teacher::_age = 21;
	as._age = 24;
}

解释：

首先，有一个基类 Person，它包含了姓名 _name 和年龄 _age 两个成员变量。

接下来有两个派生类 Student 和 Teacher，它们都以虚拟继承的方式继承自基类 Person。这样做是为了避免后续的Assistant 类在同时继承Student 和 Teacher 时，包含了两个相同的 Person 实例导致的二义性问题。

最后，有一个派生类 Assistant，它同时继承自 Student 和 Teacher 类。由于 Student 和 Teacher都是以虚拟继承的方式继承自 Person，在Assistant 类中就只会有一个共同的 Person 实例。

调试结果如下：

三、虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

我们已经知道：虚拟继承是C++中的一种继承方式，用于解决多重继承中的数据冗余和二义性问题。当一个类需要从多个基类中继承，而这些基类又有共同的基类时，就会产生二义性问题。

那虚拟继承又是如何解决这些问题的呢？

现在我们来研究虚拟继承原理，下面是一个简化的菱形继承继承体系，请看：

class A
{
public:
	int _a;
};
class B : public A
{
public:
	int _b;
};
class C : public A
{
public:
	int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
	int _d;
};
int main()
{
	D d;
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;
	return 0;
}

运行调试结果如下：

监视窗口

内存窗口

可以看到上述代码中存在数据冗余的问题：类D继承了类B和类C，与此同时类B和类C都继承了类A，所以可以看到在类D中有两个继承自类A的子对象，分别来自类B和类C。因此，在类D中存在数据冗余，同一个成员变量_a在类D的内存布局中会出现两次，一次来自类B的继承，一次来自类C的继承。这是因为默认情况下，多次继承同一个基类会导致该基类的成员在派生类中有多份副本。

下面来看虚拟继承是如何解决上述问题的，请看：

class A
{
public:
 int _a;
};
class B : virtual public A//虚拟继承
{
public:
 int _b;
};
class C : virtual public A//虚拟继承
{
public:
 int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
 int _d;
};

实例一：

int main()
{
	D d;
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;
	d._a = 0;
	return 0;
}

下面是上述代码虚拟继承的调试内存窗口：

示例二（仅仅添加了对象D d2;）：

int main()
{
	D d;
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;
	d._a = 0;
	D d2;
	return 0;
}

现在再来看一下内存窗口：

示例三（再来看一个对象模型）：

int main()
{
	B b;
	b._a = 1;
	b._b = 2;
	return 0;
}

示例四：

int main()
{
	D d;
	d._a = 1;

	B b;
	b._a = 2;
	b._b = 3;

	B* ptr = &b;
	ptr->_a++;

	ptr = &d;
	ptr->_a++;
	return 0;
}

当指针 ptr 指向对象 b 或对象 d 时，无论 ptr 指向的是哪个对象，当使用 ptr->_a 访问类A的成员时，编译器都会使用存储在类D对象中的偏移量来调整指针，以便正确地访问虚基类A的成员变量 _a。

好了，本文就到这里啦，再见啦友友们！！！