c++ ---菱形继承问题

本文探讨了C++中的菱形继承问题及其解决方案——虚继承。通过实例代码展示了如何使用虚继承避免数据重复,解释了虚基类指针(vbptr)和虚基表(vbt)在内存布局中的作用,以解决多继承导致的二义性问题,从而优化资源管理和访问效率。

c++ 菱形继承问题

前言

在c++中,提供了多继承的方式,允许一个子类继承多个父类,所以就有可能会出现菱形继承问题,如下图在这里插入图片描述但是会有一个问题出现,就是父亲和叔叔都继承了祖父中的一个成员,到孙子继承父亲和叔叔的成员时,就会出现两份相同的成员数据,就会导致不明确的问题,这里需要用到virtual,虚继承的方式来继承
看代码

代码

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

//菱形继承问题
class grandpa
{
public:
	int m_Age;
};

class father: virtual public grandpa{};


class uncle:virtual public grandpa{};


class grandson :public father, public uncle{};

void test01()
{
	grandson s;
	s.m_Age = 18;
	cout << "s的年龄为" <<s.m_Age <<endl;
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

使用父亲和叔叔使用虚继承的方式继承了祖父的成员后,到孙子多继承后,就不会出现不明确的问题了,这是为什么呢

因为虚继承其实就是在底层创建了一个virtual base pointer,也就是虚基类指针
用来指向 virtual base table 也就是虚基表,也可以当做在底层创建了一个指针指向祖父中的成员,也可以这么理解,用虚继承继承后,通过vbptr也就是虚基指针的移位来修改和访问继承下来的数据,这样就不会造成孙子类同时继承父亲和叔叔相同的同一份数据导致的资源浪费和访问不便的情况

### 菱形继承问题C++ 中,菱形继承(Diamond Inheritance)是多重继承的一种特殊情况,指的是一个派生从两个基继承,而这两个基又共同继承自同一个更上层的基。这种继承结构形成一个“菱形”形状,因此得名。 #### 问题描述 1. **数据冗余** 在菱形继承中,最顶层的基会被间接继承多次,导致派生中包含多个该基的实例。例如, `Assistant` 继承自 `Student` 和 `Teacher`,而这两个又分别继承自 `Person`。此时,`Assistant` 中将包含两个 `Person` 子对象,分别来自 `Student` 和 `Teacher`。这会导致数据冗余和访问歧义的问题[^2]。 2. **访问歧义** 当派生通过多条路径继承到相同的成员变量或方法时,编译器无法确定应该访问哪一条路径中的成员,从而导致编译错误。例如,在没有使用虚拟继承的情况下,如果 `D` 继承自 `B` 和 `C`,而 `B` 和 `C` 都继承自 `A`,那么 `D` 将包含两个 `A` 的子对象,访问 `A` 的成员时会引发歧义[^1]。 ### 虚拟继承的解决方案 为了解决菱形继承带来的问题C++ 引入了虚拟继承(Virtual Inheritance)。虚拟继承确保在多重继承中,公共基在派生中只存在一份实例,从而避免数据冗余和访问歧义的问题。 #### 使用方式 虚拟继承通过在派生的继承列表中使用 `virtual` 关键字来实现。具体做法是,在派生继承基时,使用 `virtual` 关键字指定该基为虚基。这样,无论派生通过多少条路径继承该基,最终在派生中只会存在一份该基的实例。 ##### 示例代码 ```cpp #include <iostream> using namespace std; class A { public: int val; }; class B : virtual public A { }; class C : virtual public A { }; class D : public B, public C { }; int main() { D d; d.val = 10; // 正确:val 是唯一的,不会产生歧义 cout << d.val << endl; return 0; } ``` 在这个例子中,`B` 和 `C` 都使用虚拟继承从 `A` 继承,因此 `D` 中只会包含一个 `A` 的实例。这样,访问 `val` 成员时就不会产生歧义,并且避免了数据冗余的问题。 #### 虚基的作用 1. **唯一实例** 虚拟继承确保虚基在派生中只存在一份实例,避免了冗余的基子对象。这样,无论派生通过多少条路径继承虚基,最终在派生中只会有一个虚基的实例[^3]。 2. **解决访问歧义** 由于虚基在派生中只存在一份实例,因此访问虚基的成员时不会产生歧义。编译器可以直接访问该实例的成员,而不需要通过特定的继承路径来选择[^4]。 #### 虚拟继承的注意事项 1. **构造函数的调用** 在使用虚拟继承时,虚基的构造函数将由最派生直接调用,而不是由中间的派生调用。这意味着,如果虚基有带参数的构造函数,最派生必须显式调用该构造函数,以确保虚基的正确初始化。 2. **性能开销** 虚拟继承会引入一定的性能开销,因为编译器需要额外的机制来管理虚基的唯一实例。这种开销通常体现在访问虚基成员时的间接寻址操作上。 ### 总结 菱形继承问题C++ 多重继承中的一个经典问题,主要表现为数据冗余和访问歧义。为了解决这些问题C++ 提供了虚拟继承机制,通过 `virtual` 关键字确保虚基在派生中只存在一份实例,从而避免了冗余和歧义的问题。虚拟继承虽然解决了菱形继承问题,但也带来了一些额外的复杂性和性能开销,因此在设计层次结构时应谨慎使用。 ---
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